escuela politÉcnica del ejÉrcito departamento...

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA,

AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO EN

INGENIERÍA

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE

TELEOPERACIÓN PARA EL MANIPULADOR CRS A255

UTILIZANDO UN DISPOSITIVO HÁPTICO DE DOS

DIMENSIONES

FAUSTO R. GÓMEZ P.

KARINA A. HERNÁNDEZ F.

SANGOLQUÍ – ECUADOR

2011

CERTIFICACIÓN

Certificamos que el proyecto de grado titulado “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN

DE UN SISTEMA DE TELEOPERACIÓN PARA EL MANIPULADOR CRS

A255 UTILIZANDO UN DISPOSITIVO HÁPTICO DE DOS DIMENSIONES”, ha

sido desarrollado en su totalidad por el Sr. Fausto Rolando Gómez Peñaherrera

con CI. 1716418189 y la Srta. Karina Alexandra Hernández Figueroa con CI.

1713699351, bajo nuestra dirección.

________________________ ________________________

Ing. Alejandro Chacón Ing. Hugo Ortiz

DIRECTOR CODIRECTOR

Agradecimiento

Le doy gracias a Dios por bendecirme todos los días con una nueva

oportunidad de vivir y ser feliz, a Él por ser mi principal compañía en el largo

trajinar de mi vida estudiantil y permitirme culminar con éxito un objetivo más.

En especial agradezco a la ESPE, sus autoridades y profesores, quienes

han despertado en mi el talento, la perseverancia y el carácter necesarios para

cumplir con éxito esta investigación.

Como no agradecer a mis compañeros y compañeras por su amistad

apoyo y buenos momentos, especialmente a Karina, mi compañera de tesis,

cuya compañía ha sido fundamental e incondicional, a quien con cariño la he

considerado siempre como mi mano derecha y mi complemento ideal en la

lucha por alcanzar nuestros sueños.

Le agradezco a mi hermana, su esposo, a mi querida abuelita Coba, mi tía

Anita, Fanicita, mi tío Rodrigo, quienes siempre se han mantenido atentos

esperando mi éxito. A todos aquellos que directa o indirectamente han

colaborado para que este trabajo se realice.

A todos ellos gracias por contribuir positivamente y haber hecho posible la

culminación exitosa de este trabajo y siempre de mí los mejores deseos.

Fausto Rolando Gómez Peñaherrera

Agradecimiento

Agradezco en primer lugar a Dios por permitirme vivir en este tiempo y

darme en su infinita gracia la oportunidad de estudiar la carrera que me

apasiona, la ingeniería Electrónica – Automatización y Control. También le

agradezco de forma muy especial a mi familia, mi madre que tuvo la valentía de

soñar junto conmigo a cada paso del camino y dejar que vuele tan alto como mi

corazón quiera llegar, a mis hermanos que de una u otra forma estuvieron allí

para mí brindándome un concejo y una palabra de aliento, a mis tíos que

siempre tuvieron la confianza de que este proyecto llegaría a su fin.

Agradezco también de forma muy especial a la ESPE, al personal

administrativo y a todos los profesores dedicados de Electrónica y Mecánica

que de forma desinteresada nos ayudaron con su valioso tiempo. Gracias por

formar mi carácter y enseñarme a ser buena sin importar el problema.

Como olvidar a mis compañeros de clases, gracias por la valiosa

información, gracias por los momentos inolvidables de ser alumnos y disfrutar el

campus, la comida y las bromas. Gracias a mi compañero de tesis por apoyar

incondicionalmente en todas las actividades y llegar a culminar un sueño… ser

ingenieros.

Por último pero no por eso menos importante le agradezco a la persona

que me tuvo la fe perdida que ni yo misma me pude tener, gracias por darme el

respiro necesario para continuar cada día con las mismas ganas, aprender a

esperar y seguir luchando porque la vida y el presente contigo es un regalo… te

quiero… MpP.

Karina Alexandra Hernández Figueroa

Dedicatoria

A mis padres y mi hermana, por su amor, apoyo incondicional, su consejo

y dedicación, este trabajo es el resultado de su ejemplo de carácter y disciplina

a quienes les debo todo lo que soy.

Fausto Gómez

Dedicatoria

Dedico este proyecto a mi madre porque en su infinito amor y dedicación

por sus hijos me enseñó el verdadero significado de la palabra mujer.

Karina Alexandra Hernández Figueroa

Marzo del 2011

PRÓLOGO

El ser humano, en su insaciable necesidad de explorar el universo, no se

ha detenido por sus limitaciones fisiológicas y cada vez existen menos lugares a

donde el ser humano no ha llegado, tal es el caso de las exploraciones

submarinas, subterráneas y espaciales; lugares donde la fisionomía del

investigador no soportaría sobrevivir. Por ello los Sistemas de Teleoperación

han dado una nueva perspectiva al desarrollo de la tecnología, siendo regla

indispensable la comodidad y beneficio del teleoperador, tanto para el

desarrollo de la rutina como para la ejecución de la misma.

El Departamento de Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica del

Ejército, se ha visto en la obligación de incurrir en la investigación y el desarrollo

de un sistema de teleoperación diseñado y construido con los recursos de la

universidad y de los autores de esta obra, debido a la inexistencia de estudios

en éste tipo de sistemas dentro de la escuela.

Como autores, nos hemos preocupado por el detalle minucioso de

conceptos y términos clave, permitiéndole al lector entender fácilmente la

implicación del diseño e implementación de un Sistema de Teleoperación

utilizando un dispositivo háptico en dos dimensiones aplicado al robot CRS

A255; considerando para esto una teoría bien fundamentada, la descripción del

prototipo háptico implementado tanto en sus características mecánicas y

electrónicas, así como un software confiable y amigable con el usuario, un

detalle técnico de los dispositivos utilizados y una guía de funcionamiento para

solucionar problemas y dudas al momento de poner en marcha el sistema de

teleoperación, garantizando así un punto de partida en el desarrollo de futuras

investigaciones en el campo de la teleoperación y telemanipulación.

ÍNDICE DE CONTENIDO

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1

1.1 ANTECEDENTES ................................................................................................. 1

1.2 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ................................................................... 2

1.3 ALCANCE DEL PROYECTO .............................................................................. 3

1.4 OBJETIVOS ........................................................................................................... 4

1.4.1 Objetivo General ............................................................................................. 4

1.4.2 Objetivos Específicos .................................................................................... 4

1.5 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO ................................................. 4

CAPÍTLO II

MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 6

2.1 INTRODUCCIÓN A LOS DISPOSITIVOS HÁPTICOS ................................... 6

2.1.1 Sistemas Constitutivos .................................................................................. 7

2.2 DESCRIPCIÓN DEL MANIPULADOR CRS A255 [7] .................................. 12

2.2.1 Introducción ................................................................................................... 12

2.2.2 Manipulador Robótico .................................................................................. 14

2.2.2.1 Espacio de Trabajo ............................................................................... 14

2.2.3 Controlador Robótico C500 ........................................................................ 16

2.2.4 Puerto de Comunicación ............................................................................. 16

2.2.5 Lenguaje de Programación RAPL-II ........................................................ 17

2.2.6 Software de Programación ROBCOMM ................................................... 18

2.3 INTERFAZ DE COMUNICACIÓN ..................................................................... 18

2.4 APLICACIÓN ........................................................................................................ 19

CAPÍTULO III

DISEÑO DEL PROTOTIPO HÁPTICO .............................................................. 21

3.1 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECÁNICA ................................................. 21

3.1.1 Análisis del Área de Trabajo ....................................................................... 22

3.1.2 Resolución y Sensibilidad del Sistema ..................................................... 25

3.1.3 Análisis de la escala .................................................................................... 27

3.1.4 Característica inercial de la estructura mecánica ................................... 29

3.1.4.1 Tren de engranes de la articulación uno ........................................... 31

3.1.4.2 Tren de engranes de la articulación dos ........................................... 32

3.1.4.3 Momento de inercia de la estructura mecánica ................................ 33

3.1.4.4 Cálculo del torque mínimo ................................................................... 35

3.1.5 Área de trabajo del Prototipo Final ............................................................ 36

3.2 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y SENSORES PARA EL PROTOTIPO HÁPTICO ............................................................................................... 37

3.2.1 Sistema Eléctrico .......................................................................................... 37

3.2.2 Sensores ........................................................................................................ 38

CAPÍTULO IV

DESARROLLO DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN Y SOFTWARE DE CONTROL DEL SISTEMA DE TELEOPERACIÓN ........................................... 42

4.1 INTERFAZ DE COMUNICACIÓN ..................................................................... 42

4.1.1 Interfaz de comunicación para el dispositivo háptico ............................. 43

4.1.2 Interfaz de comunicación para el controlador C500 ............................... 47

4.2 DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN Y CONTROL DEL TELEOPERADOR ...................................... 48

4.2.1 Configuración del puerto serial .................................................................. 48

4.2.2 Inicialización de la comunicación ............................................................... 50

4.2.3 Ciclo infinito de adquisición de datos y envío de la sentencia de movimiento . ……………………………………………………………………………52

4.2.3.1 Adquisición del ángulo ............................................................................ 52

4.2.3.2 Cinemática Directa. ................................................................................. 53

4.2.3.3 Envío de coordenadas. ........................................................................... 54

4.2.3.4 Envío de la sentencia de movimiento................................................... 57

4.2.4 Fin de uso del dispositivo háptico .............................................................. 58

4.2.5 Envío a la posición inicial ............................................................................ 58

4.2.6 Envío de secuencia de finalización ........................................................... 58

4.2.7 Cerrar el puerto serial .................................................................................. 59

CAPÍTULO V

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ..... 60

5.1 CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL PROTOTIPO HÁPTICO ................... 60

5.2 INTEGRACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO HÁPTICO Y EL SISTEMA ROBÓTICO CRS A255 ............................................................................. 65

5.2.1 Condiciones iniciales de funcionamiento .................................................. 66

5.2.2 Ejecución del Sistema de Teleoperación ................................................. 68

5.2.3 Captura de pantallas de la corrida del programa .................................... 70

5.3 PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................. 72

5.3.1 Tolerancia del Sistema ................................................................................ 73

5.3.2 Trazo por puntos .......................................................................................... 74

5.3.2.1 Repetibilidad........................................................................................... 75

5.3.3 Trazo de figuras ............................................................................................ 76

5.3.3.1 Trazo de línea ........................................................................................ 76

5.3.3.2 Trazo de polígono ................................................................................. 77

5.3.3.3 Trazo de arco ......................................................................................... 78

5.3.3.4 Trazo de circunferencia ........................................................................ 79

CAPÍTULO VI

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 81

6.1 CONCLUSIONES ................................................................................................ 81

6.2 RECOMENDACIONES ...................................................................................... 84

CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 ANTECEDENTES

A nivel mundial la problemática al adquirir un manipulador industrial

consiste en enfrentarse a una arquitectura cerrada, es decir, no acepta

controladores, elementos terminales u otros dispositivos ajenos a la línea del

mismo fabricante. En consecuencia el comprador de un robot industrial siempre

estaría comprometido con la empresa vendedora obligándolo a adquirir

complementos del manipulador muy costosos o que no se ajusten a sus

necesidades satisfactoriamente.

La Escuela Politécnica del Ejército cuenta desde 1995 con varios

manipuladores CRS Modelo A255 en el laboratorio de Robótica, donde el

estudiante se capacita de manera teórica y práctica en cuanto al funcionamiento

y configuración del robot, en función del hardware y software de la empresa

proveedora. Todo el conocimiento teórico-práctico adquirido en el laboratorio de

Robótica se aplica en un entorno real en el laboratorio CIM 2000, donde el

manipulador integra la celda de trabajo con la línea de producción.

Un dispositivo háptico es aquel que funciona como interfaz de

entrada/salida entre el ser humano y una máquina; éste dispositivo captura los

movimientos del usuario y devuelve como respuesta una sensación de “tocar”,

en función de las consecuencias del movimiento del usuario dentro de otro

entorno diferente, como puede ser un mundo virtual, o un ambiente donde el

robot se encuentra controlado telepresencialmente.

CAPITULO I: INTRODUCCIÓN 2 ________________________________________________________________________________________________

El Departamento de Eléctrica y Electrónica no cuenta con un dispositivo de

teleoperación háptico, de arquitectura abierta, con características similares al

robot CRS A255 como una alternativa a la forma de controlar su movimiento,

debido a la gran inversión que representa su adquisición y a la desaparición de

la empresa CRS Robotics Corporation.

Un sistema teleoperado permite gobernar un robot esclavo ubicado en una

zona remota a través del manejo de un robot maestro localizado en el punto de

trabajo del operador, actualmente estos sistemas se utilizan en el campo de la

medicina, exploraciones en el espacio exterior, exposición a peligro biológico,

profundidades oceánicas y en toda circunstancia donde la integridad humana se

vea amenazada.

1.2 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

Partiendo del interés mundial en el control de sistemas robóticos capaces

de operar a distancia y a voluntad del ser humano en tiempo real, cabe la

necesidad del Departamento de Eléctrica y Electrónica en iniciar la

investigación en el campo de la teleoperación. Razón por la cual el diseño e

implementación de un dispositivo háptico de dos dimensiones surge como un

proyecto base necesario para permitir en un futuro cercano el desarrollo de

otros proyectos dedicados a disminuir la complejidad de programación en una

celda de trabajo en dos y tres dimensiones, utilizando 5 grados de libertad.

El proyecto contribuirá en el desarrollo de dispositivos hápticos capaces

de interactuar con el ser humano en tiempo real e inclusive a largas distancias

donde no se necesite la presencia del operador y sea el robot quien se enfrente

solo al problema en cuestión.

En consecuencia, el diseño e implementación de un sistema de

teleoperación háptico de dos dimensiones para el robot CRS A255, sería el

punto de partida para desarrollar una alternativa apropiada en el control del

movimiento del robot, esto incluye el desarrollo de un diseño mecánico versátil,


construido como un prototipo háptico capaz de comunicarse con el robot, donde

el teleoperador pueda manejarlo con el movimiento de la mano.

La arquitectura cerrada del manipulador CRS A255 representa el problema

principal a solucionar en este proyecto, justificando el desarrollo de un software

abierto que permita la comunicación entre el dispositivo háptico y el controlador

del robot, para generar movimiento en el elemento terminal del manipulador.

Generalmente un dispositivo háptico debe coincidir con las características

del robot a controlar, se plantea como un proyecto inicial un prototipo de dos

dimensiones por la complejidad en la construcción de un prototipo de cinco

grados de libertad. Además el presente proyecto puede abrir una línea de

investigación relacionada con la Teleoperación, actualmente de moda en otros

países y no estudiada en el Departamento de Eléctrica y Electrónica de la

ESPE.

1.3 ALCANCE DEL PROYECTO

Se realizará el diseño y la implementación de un dispositivo háptico de dos

dimensiones para manipular el robot CRS A255, lo cual permitirá el movimiento

en un solo plano, utilizando el propio controlador del manipulador para el

movimiento de su terminal final.

La caracterización del prototipo háptico no partirá de una investigación

previa debido a la falta de información en el Departamento de Eléctrica y

Electrónica de la ESPE, más bien estará basada en las características de los

mejores modelos comerciales con el objetivo de cumplir el movimiento en un

solo plano, operación versátil que no implique limitaciones en los movimientos

del robot y su prototipo, estructura mecánica susceptible de fabricación y de

volumen portátil, material resistente y liviano. Todo esto en función de pruebas

realizadas en un software de modelamiento mecánico, donde la estructura

escogida deberá cumplir con los requerimientos antes mencionados para

posteriormente realizar la construcción.


Se desarrollará una interfaz de comunicación con su respectivo software

de control permitiendo integrar la estructura mecánica del prototipo con el

controlador del manipulador CRS A255. Finalmente se realizarán pruebas de

desempeño para evaluar el sistema teleoperado de forma objetiva y eficiente.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un dispositivo háptico en dos dimensiones,

para manipular el robot CRS A255.

1.4.2 Objetivos Específicos

Caracterizar las especificaciones del dispositivo háptico.

Diseñar e implementar la estructura mecánica del prototipo háptico.

Desarrollar el software de la interfaz de comunicación entre la

estructura mecánica del prototipo háptico y el robot CRS A255.

Integrar el sistema prototipo háptico y el manipulador CRS A255.

1.5 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO

El proyecto comprende el diseño y la implementación de un sistema de

teleoperación para el manipulador robótico CRS A255 utilizando un dispositivo

háptico de dos dimensiones, para alcanzar este objetivo principal es necesario

subdividir al proyecto en tres etapas, a continuación se explica brevemente

cada una de ellas.


La primera etapa consiste en el diseño y construcción del dispositivo

háptico tomando como base características importantes de modelos

comerciales, la meta es caracterizar el prototipo tanto en parámetros de

constitución mecánica tales como: configuración de las articulaciones, escala

con respecto al manipulador industrial, torque mínimo y área de trabajo; así

como también en valores de resolución y sensibilidad de los sensores de

posición angular.

La segunda etapa integra:

a) Adquisición de datos mediante una tarjeta DAQ para determinar el

valor del ángulo de giro de cada articulación.

b) Software de control necesario para integrar el dispositivo háptico con

el controlador C500 y a la vez presentar la interfaz al usuario.

c) Interfaz de comunicación entre la computadora y el controlador C500

del robot, en este caso se utiliza comunicación serial RS – 232.

En la tercera etapa se evalúa el desempeño del sistema de teleoperación

implementado, mediante trazo por puntos y de curvas desde el dispositivo

háptico con su respectiva comparación del trazo en el robot industrial.

Finalmente el proyecto incluye en el Capítulo V la integración del dispositivo

háptico y el controlador C500 detallando características importantes de

funcionamiento y calibración de todos los elementos que conforman el sistema

de teleoperación.

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 INTRODUCCIÓN A LOS DISPOSITIVOS HÁPTICOS

El término háptico no aparece en el diccionario de la Real Academia

Española y proviene del griego háptō que significa relativo al tacto [1]. Sin

embargo algunos teóricos han extendido el significado de la palabra para hacer

referencia por exclusión a todo el conjunto de sensaciones no visuales y no

auditivas que experimente un individuo [2].

Si bien la implementación de estos dispositivos aumenta la cantidad de

información procesada, reduce el error y el tiempo tomado para desarrollar una

tarea, se deben solucionar una serie de problemas en cuanto a la falta de

estímulos para el sentido del tacto [3]. La investigación háptica intenta resolver

estos problemas y puede ser subdividida dentro de los siguientes campos:

a) La retroalimentación de fuerza trata con dispositivos

capaces de interactuar con músculos y tendones, dando al humano

una sensación de estar aplicando una fuerza, por lo cual se deben

considerar las proporciones y resistencia promedio de las

articulaciones mecánicas [4]. Estos dispositivos principalmente

consisten en robots manipuladores encargados de proporcionar una

reacción de resistencia mecánica al usuario, con fuerzas

correspondientes al ambiente virtual donde está el órgano terminal.

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ________________________________________________________________________________________________

7

b) La retroalimentación táctil trata con dispositivos capaces

de interactuar con los nervios terminales en la piel indicando la

presencia de calor, presión y textura [4].

c) La retroalimentación propioreceptiva permite obtener

información acerca de la posición del cuerpo del operador o su

postura, analizando información sobre el funcionamiento armónico de

músculos, tendones y articulaciones [5].

2.1.1 Sistemas Constitutivos

Un dispositivo háptico es un sistema robótico constituido de hardware

y software independientemente del sistema que se le aplique (Figura 2.1).

El software permite la comunicación entre el dispositivo y la computadora,

su complejidad dependerá de los grados de libertad y tamaño del

dispositivo, así como también del protocolo de comunicación y del tipo de

interfaz para el usuario.

El hardware de un dispositivo háptico se subdivide en las siguientes

áreas de estudio:

a) Estructura mecánica: Un dispositivo háptico es muy semejante a un

manipulador robótico en cuanto a su estructura, consta de una

cadena de eslabones consecutiva e independiente entre sí formando

en cada articulación un grado de libertad (GDL). Se pueden

encontrar motores en la estructura cuando el tamaño del prototipo es

demasiado grande y pesado para la comodidad del usuario o

simplemente se colocan sensores para medir el ángulo de giro y es

la configuración de la propia estructura mecánica la encargada de

oponerse al movimiento del operador. Puede tener desde tres hasta

seis GDL dependiendo de la aplicación.


8

b) Sistema eléctrico: Este sistema consta de dos partes, la primera es la

interfaz de comunicación, ésta permite conectar el dispositivo háptico

al computador utilizando comunicación paralela, serial RS-232 e

incluso USB “plug and play”. La segunda parte está constituida por

los sensores encargados de medir el movimiento angular de las

articulaciones, junto con la circuitería electrónica de adquisición de

datos y tratamiento de las señales. Pueden ser potenciómetros como

sensores analógicos y codificadores como sensores digitales. En el

caso de existir motores, el sistema eléctrico incluye la

correspondiente etapa de potencia y el sistema de reducción de

velocidad.

Figura. 2.1. Sistemas constitutivos de un dispositivo háptico

Tomando como ejemplo la empresa SensAble Technologies en las

líneas Phantom y Premium a continuación se analizan características

estructurales, de sensamiento y de funcionamiento importantes para la

implementación de éste proyecto.


9

Se indica a continuación en la Tabla 2.1 la línea Phantom y en la

Tabla 2.2 la línea Premium.

Modelo

The Phantom Desktop Device

The Phantom Omni Device

Figura

Área de trabajo

con realimentación

de fuerza

> 160 ancho x120 alto x 120 diámetro mm

> 160 ancho x120 alto x 70 diámetro mm

Peso (solo el dispositivo)

6 lb 3lb

Resolución nominal de

posición

~0.023 mm ~0.055 mm

Sensamiento de Posición (x,y,z)

Codificadores digitales Codificadores digitales

Sensamiento de Posición (yaw,

pitch, roll)

Potenciómetros lineales ± 3% Potenciómetros lineales ± 5%

Tabla. 2.1 Características de la línea Phantom


10

Modelo

Premium 1.0 Premium 1.5

Premium 1.5 High Force

Figura

Área de trabajo

254 ancho x 178 alto x 127 diámetro mm

381 ancho x 267 alto x 191 diámetro mm

Resolución nominal de

posición

0.03 mm 0.03 mm 0.007 mm

Realimentación

de fuerza

x, y, z x, y, z

Sensamiento de

Posición

x, y, z (opcional yaw, pitch, roll)

x, y, z (opcional yaw, pitch, roll)

Tabla. 2.2 Características de la línea Premium

Observando las Tablas 2.1 y 2.2 se puede llegar a las siguientes

conclusiones necesarias para el diseño e implementación del dispositivo

háptico:

a) El dispositivo háptico no contará con un parámetro definido de

sensibilidad hasta que se haya determinado el sistema donde se

vaya a aplicar.

b) La resolución del dispositivo es un valor nominal y global, es decir no

se indica valor para cada sensor, más bien se entrega un valor

conjunto final de todos los dispositivos de sensamiento presentes en

la estructura mecánica.


11

c) La retroalimentación de fuerza se aplica en todos los GDL y en toda

el área de trabajo del dispositivo háptico.

d) La configuración de todos los dispositivos industriales analizados es

antropomórfica, a diferencia de ello en éste proyecto se deben

alcanzar dos GDL observando dos posibilidades de configuración:

SCARA o antropomórfica dependiendo del área de trabajo que se

desee alcanzar.

Independientemente del diseño elegido para el prototipo se deben

considerar las siguientes características de adecuación para el uso,

aplicadas en este proyecto.

a) Fiabilidad: La estructura del dispositivo háptico debe ser liviana,

resistente, portátil y de fácil mantenimiento.

b) Coste: Se debe llegar a un acuerdo entre costo y funcionalidad del

dispositivo, eligiendo siempre el sensor de posición más adecuado a

nuestras necesidades de medición.

c) Seguridad: El dispositivo debe ser seguro y no debe representar

ningún peligro para el operador.

2.1.2 Aplicaciones de los Dispositivos Hápticos

Los dispositivos hápticos se utilizan como interfaz entre el sentido

humano del tacto y un mundo generado por computadora, para permitir al

usuario tocar, sentir o manipular objetos simulados en entornos virtuales y

sistemas de teleoperación.

Los entornos virtuales se clasifican de acuerdo al nivel de interacción

con el usuario y a la complejidad de las instalaciones que soporta el

sistema, pueden ser realidad virtual de: escritorio, en segunda persona,

telepresencia y por último inmersión.


12

Los sistemas de teleoperación que incluyen un dispositivo háptico,

generalmente son del tipo maestro – esclavo y están conformados por los

elementos de la Figura 2.2, donde el operador es quien cierra visualmente

el lazo de control en el movimiento del robot esclavo y el dispositivo

háptico es la interfaz entre el operador y el computador, el cual envía los

comandos al controlador del manipulador industrial. Finalmente el robot

esclavo seguirá los movimientos del dispositivo háptico maestro en tiempo

real.

Figura. 2.2. Elementos de un sistema de teleoperación maestro - esclavo

2.2 DESCRIPCIÓN DEL MANIPULADOR CRS A255 [7]

2.2.1 Introducción

El manipulador CRS A255 forma parte de un sistema robótico que

trabaja de manera integral (Figura 2.3). Consta de un manipulador robótico

(A255), un controlador electrónico C500, un dispositivo para operación

manual (Teach Pendant) y una herramienta de fin de brazo (Gripper).

La hoja técnica básica del sistema robótico CRS A255 se encuentra

en el Anexo 2.


13

Figura. 2.3. Sistema robótico CRS A255

El movimiento del manipulador robótico se lleva a cabo por medio de

servo motores, éstos trabajan en conjunto con cajas reductoras,

rodamientos, tornillos sin fin, acopladores armónicos y codificadores

ópticos. Cada articulación posee un grado de desplazamiento angular

distinto e independiente, la herramienta final es intercambiable y puede

acoplarse según la tarea que vaya a desempeñar y las necesidades del

tipo de objeto manipulado en la operación.

Para el control de operaciones del robot el sistema cuenta con su

propio dispositivo, el controlador C500, el cual se encarga de procesar las

señales y permite el tráfico de datos entre el brazo robótico y el bloque de

software. Puede ser operado de dos modos: Automático, modo en el cual

el Robot responde a las instrucciones programadas desde un computador

y Manual, el robot responde a la manipulación del Teach Pendant. El

lenguaje de comunicación es RAPL-II (lenguaje de alto nivel) y el software

de programación es ROBCOMM.


14

2.2.2 Manipulador Robótico

El manipulador robótico CRS A255 es un sistema mecánico de cinco

GDL (Figura 2.4), su estructura se fundamenta en el cuerpo humano. El

movimiento integra un control en lazo cerrado gobernado por el

accionamiento de los servo - motores, estos se encuentran acoplados a

las articulaciones del brazo por medio de cadenas, engranajes y poleas,

su posición se conoce a partir de encoders ópticos encargados de

proporcionar una señal exacta de la ubicación del brazo.

Figura. 2.4. Articulaciones del manipulador CRS - A255

2.2.2.1 Espacio de Trabajo

Esta dado en función de su alcance y su desplazamiento radial y

vertical, teniendo en cuenta estos parámetros el área de trabajo

radial es de 0.75 m2 y el área de trabajo vertical es de 0.38m2. El

manipulador robótico puede desplazarse hasta 350° en forma

radial como se muestra en la Figura 2.5 y en forma vertical el

brazo puede tener un desplazamiento de hasta 150°

aproximadamente, el cual está descrito en la Figura 2.6.


15

Figura. 2.5. Espacio de trabajo radial

Figura. 2.6. Espacio de trabajo vertical


16

2.2.3 Controlador Robótico C500

El controlador robótico C500 permite la comunicación entre el

manipulador y el software de control, éste último acciona los cinco grados

de libertad además del gripper según la necesidad de fuerza utilizando

diferentes etapas de potencia, además permite la comunicación con las

plataformas de procesamiento de alto nivel y los puertos de entrada /

salida.

En la Figura 2.7 se describe la operación del controlador C500 del

manipulador robótico en función de los datos intercambiados con el

computador.

Figura. 2.7. Tráfico de datos del controlador robótico C500

2.2.4 Puerto de Comunicación

El manipulador robótico CRS A255 utiliza comunicación tipo ACI

estructurada en bloques para todas las trasferencias de datos, está

basada en el protocolo RS-232/422/485, su característica principal

consiste en permitir computadores externos en la comunicación incluso

uno o más sistemas robóticos en un enlace simple RS232 o RS422.


17

La comunicación ACI permite transferir la memoria del robot al

computador o a su vez descargar los datos desde la computadora hacia la

memoria del robot, para este efecto es necesaria la existencia de por lo

menos un dispositivo maestro capaz de utilizar la técnica de segmentación

estándar del 8086. Generalmente los controladores de los robots se

configuran como esclavos y será un computador externo definido como

maestro, siendo éste el único encargado de iniciar la comunicación

2.2.5 Lenguaje de Programación RAPL-II

La familia de robots industriales CRS Plus utiliza un lenguaje

propietario de CRS Robotics denominado RAPL-II, cuyas siglas en ingles

significan “Robotic Automation Programming Language - II”. Es un

lenguaje orientado a la automatización, con líneas de comandos

estructuradas para facilitar el diseño de los sistemas de aplicación.

Debido a la operación del controlador C500 con tres entornos

diferentes de interfaz para el usuario: panel frontal, teach pendant y el

canal de comunicación interactiva, existen tres niveles de control

disponibles para el uso de los comandos en el RAPL-II, a continuación se

describe cada uno de ellos:

a) I Inmediato: Este modo le permite al usuario ingresar comandos

capaces de ser ejecutados por completo en la línea de ingreso.

Dentro de este modo y usando el RAPL-II se encuentra

habilitado el constructor de sintaxis.

b) M Manual: En este modo se le permite al usuario variar la

posición del robot utilizando el teach pendant o ingresando un

comando por teclado. Existen cuatro formas de manipular el

robot en el modo Manual: por articulación, de forma global, por

herramienta y de forma cilíndrica


18

c) P Programa: Este modo le permite al usuario ejecutar programas

almacenados en la memoria del controlador. En el momento de

la ejecución de la rutina de trabajo, RAPL-II utiliza un

compilador encargado de detener la ejecución del programa si

se detecta un error.

2.2.6 Software de Programación ROBCOMM

El software ROBCOMM le permite valerse al usuario de todas las

características y facilidades descritas en el RAPL-II en el momento de

programar una rutina de trabajo utilizando el manipulador robótico CRS

A255. Para este efecto se utilizan comandos de configuración, tarea y

descripción, en el Anexo 1 se detallan los más importantes.

2.3 INTERFAZ DE COMUNICACIÓN

El sistema robótico CRS A255 utiliza como protocolo de comunicación el

estándar RS – 232, en él se definen características eléctricas, mecánicas,

funcionales de la interfaz y modos de conexión comunes. Las características

eléctricas incluyen parámetros tales como niveles de voltaje e impedancia del

cable, la sección mecánica describe los pines y la descripción funcional define

las funciones de las señales eléctricas utilizadas.

Siendo éste un protocolo conocido, la conexión entre el computador y el

controlador del manipulador constará únicamente de una interfaz USB – Serial

conectada al puerto de comunicación ubicado en el panel frontal del controlador

C500. Cada uno de estos dos elementos deberán tener igual configuración en:

velocidad de comunicación, paridad, número de bits de datos, número de bits

de parada y control de flujo.


19

2.4 APLICACIÓN

El sistema de teleoperación a implementarse en este proyecto, consta de

los siguientes elementos (Figura 2.8):

a) Operador: Es la persona encargada de manipular el prototipo háptico

cerrando el lazo de control de forma visual.

b) Dispositivo Háptico: Constituye la interfaz entre el usuario y el robot

CRS A255.

c) Interfaz de comunicación: Consta de software y hardware. El

software está programado en Labview y constituye el sistema de

control del dispositivo háptico, procesa los datos de ángulo de giro

provenientes de los sensores ubicados en cada articulación

utilizando una tarjeta de adquisición de datos, los convierte a

coordenadas rectangulares para finalmente incluirlos en un comando

de movimiento capaz de ser interpretado por el controlador del robot

esclavo, para éste efecto se utiliza comunicación serial. El hardware

es la circuitería electrónica necesaria para la adquisición de datos y

el cable de la interfaz USB – serial necesario para conectar la

computadora con el controlador del manipulador CRS A255.

d) Manipulador CRS A255: Es el robot esclavo quién obedece a los

movimientos del dispositivo háptico generados por el usuario.


20

Figura. 2.8. Elementos del sistema de teleoperación a implementarse

CAPÍTULO 3

DISEÑO DEL PROTOTIPO HÁPTICO

3.1 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECÁNICA

Generalmente los dispositivos hápticos comerciales destinados a la

teleoperación de un manipulador industrial, cuentan con las mismas

características del robot esclavo en cuanto al número y tipos de articulaciones,

la diferencia se establece en el tamaño del robot maestro, usualmente

construido a escala del manipulador industrial.

Por tratarse en éste caso de un prototipo háptico de dos dimensiones se

realizará el análisis de los siguientes parámetros importantes:

a) Área de trabajo, para determinar la configuración de las

articulaciones.

b) Resolución y sensibilidad del sistema, eligiendo el sensor más

adecuado para medir el ángulo de giro.

c) Escala de construcción, capaz de brindar facilidades de montaje y

mantenimiento.

d) Característica de inercia de la estructura mecánica, necesaria para

alcanzar un retardo aceptable entre el movimiento del dispositivo

maestro y el esclavo.

CAPÍTULO III: DISEÑO DEL PROTOTIPO HÁPTICO ________________________________________________________________________________________________

22

3.1.1 Análisis del Área de Trabajo

Dentro del volumen de trabajo del manipulador industrial especificado

por el fabricante, se describen dos áreas de trabajo en planos vertical y

horizontal.

Para escoger el área de trabajo del prototipo háptico se determinará

el área máxima alcanzada por el manipulador industrial en un solo plano,

para ello se desarrolla a continuación el cálculo de las áreas usando el

software de modelamiento mecánico “SolidWorks” y su respectiva

comparación.

En el caso del área vertical máxima se traza el diagrama de la Figura

3.1 b de acuerdo al espacio de trabajo vertical descrito por el fabricante

(Figura 3.1 a).

Figura. 3.1. a) Espacio de trabajo vertical descrito por el fabricante. b) Diagrama del

área vertical máxima


23

Figura. 3.2. Perímetro y área de la superficie vertical máxima de trabajo

Se obtiene el área de la superficie vertical máxima de trabajo igual a

0.19m2, tal como indica la Figura 3.2. De igual forma se obtiene el valor de

la superficie horizontal, en este caso es variable porque depende de la

altura en el eje z. Como referencia se indica el cálculo de la superficie

horizontal máxima (Figura 3.3), donde se obtiene el perímetro y área

mostrada en la Figura 3.4.

Figura. 3.3. a) Espacio de trabajo horizontal descrito por el fabricante. b) Diagrama del

área horizontal máxima


24

Figura. 3.4. Perímetro y área de la superficie horizontal máxima de trabajo

En la Tabla 3.1 se indican los valores de superficie de trabajo

horizontal calculados según el proceso anteriormente desarrollado.

Superficie de trabajo horizontal

Altura del punto final en el eje z (m)

Valor de la superficie (m2)

0.25 0.75

0.28 0.74

0.31 0.73

0.33 0.72

0.36 0.71

0.38 0.68

0.41 0.65

0.43 0.61

0.46 0.58

0.48 0.54

0.51 0.51

Tabla. 3.1. Superficie del área de trabajo horizontal de acuerdo a la altura en z

Cuando la altura del punto final del segundo eslabón es de 0.25m se

alcanza el valor máximo de área correspondiente a 0.75m2, por lo tanto, el

prototipo háptico deberá desplazarse en el plano horizontal igual o menor

al correspondiente en la Figura 3.4 de acuerdo a las limitaciones

mecánicas en el diseño del prototipo.


25

En función de los resultados obtenidos en el plano de trabajo y el

área máxima se considera ideal la configuración de las dos primeras

articulaciones de un robot SCARA (Figura 3.5) para la implementación del

prototipo háptico en éste proyecto, esta configuración cubre

mecánicamente el área horizontal definida y a la vez evita problemas de

frenado debido a la gravedad.

Figura. 3.5. Robot SCARA [6]

3.1.2 Resolución y Sensibilidad del Sistema

La definición de la resolución del sistema está directamente

relacionada con la resolución del sensor a utilizar, es necesario imponerse

en primer lugar el valor mínimo de sensibilidad, en éste caso será de

1mm. Luego se determina el valor del ángulo mínimo que el sensor debe

alcanzar a detectar variando la longitud del eslabón, para este efecto se

desarrolla el siguiente procedimiento:

a) Como se definió en el ítem 3.1.1 la estructura mecánica del prototipo

tendrá la configuración de las dos primeras articulaciones de un robot

SCARA, cuya vista aérea se indica en la Figura 3.6 a. Si ubicamos el

esquema en un plano cartesiano donde: es la longitud del eslabón,

el ángulo de giro y la sensibilidad mínima (Figura 3.6 b),

obtenemos la Ecuación 3.1 de donde se puede despejar el ángulo

tal como indica la Ecuación 3.2.


26

Ecuación 3.1

Ecuación 3.2

Figura. 3.6. a) Vista aérea de la configuración de las articulaciones del prototipo háptico.

b) Esquema en el plano cartesiano XY.

b) Utilizando la Ecuación 3.2 y dando valores para , se obtiene la Tabla

3.2.

Longitud del eslabón

Ángulo de giro

0.06 10.14

0.08 8.79

0.13 7.19

0.25 5.08

Tabla. 3.2. Ángulo de giro dependiendo de la longitud del eslabón

De los resultados obtenidos en la Tabla 3.2 se concluye lo siguiente:

mientras la longitud del eslabón es mayor, el ángulo de giro a detectar por

el sensor debe ser menor, en consecuencia para el análisis de la escala

definitiva del prototipo los dos eslabones deberán estar colineales.


27

3.1.3 Análisis de la escala

A partir del análisis de la sensibilidad del sistema se ha diseñado un

Prototipo Uno como base para la solución de problemas mecánicos y

estructurales en el diseño del prototipo final. La escala de construcción es

de 1:4 es decir, si el radio máximo del área horizontal del manipulador

industrial es de 0.51m, la longitud del radio del Prototipo Uno será de

0.13m. La estructura mecánica se ha diseñado en Solidworks como indica

la Figura 3.7.

Figura. 3.7. Diseño del Prototipo Uno en SolidWorks

Con la finalidad de verificar las bondades y defectos del Prototipo

Uno se ha implementado la estructura de la Figura 3.7 utilizando:

Plástico PVC de 4mm para la base y los eslabones.

Ejes de nylon en cada articulación para sujetar el potenciómetro

lineal al rodamiento y a la vez evitar el peso de la estructura sobre

el eje del sensor.

Un soporte para el dedo fabricado en nylon en el final del segundo

eslabón y,

Potenciómetros lineales para medir el ángulo de giro. El modelo

terminado se indica en la Figura 3.8.


28

Las características físicas de los materiales utilizados para la

fabricación: plástico PVC y nylon se encuentran en el Anexo 3.

Figura. 3.8. Modelo terminado – Prototipo Uno

De este diseño hemos llegado a las siguientes conclusiones:

a) Debido a la constitución mecánica del sensor no es posible

alcanzar los 350° en el área radial tal como indica la hoja técnica

del fabricante del manipulador industrial (Anexo 2), solamente se

logran 300°. (Figura 3.9)

Figura. 3.9. Alcance radial del Prototipo Uno


29

b) La escala escogida para el Prototipo Uno no posee el espacio

necesario para añadir sensores extras o colocar algún

mecanismo de frenado, razón por la cual se utilizará una escala

1:2 en el prototipo final.

c) A pesar de ser necesario un solo dedo para generar movimiento

en el Prototipo Uno, después de cierto tiempo de uso resulta

incómodo para el usuario sujetar el elemento terminal a esa

altura. En consecuencia para el Prototipo Final se utilizará un

soporte tipo “palanca” donde el operador utilice varios dedos o

toda la mano en lugar de un solo dedo para generar movimiento y

la estructura se diseñará tratando de alcanzar la menor altura

posible desde la mesa de trabajo.

d) El Prototipo Uno no le brinda al usuario suficiente oposición al

movimiento porque solamente existe fricción en el rodamiento y

torque en el eje del sensor. Para mejorar esta característica en el

Prototipo Final se utilizará un tren de engranes en cada

articulación. Este mecanismo amplifica el torque opuesto al

movimiento del usuario, disminuye la velocidad y aumenta los

giros en el eje del sensor, razón por la cual se utilizará un

potenciómetro lineal capaz de alcanzar el mismo valor de

resistencia en más de una revolución.

3.1.4 Característica inercial de la estructura mecánica

La oposición al movimiento proporcionada por el dispositivo háptico

al usuario está dividida en dos partes, la primera es el torque del tren de

engranes de cada articulación y la segunda es el momento de inercia de la

estructura mecánica.


30

Para el análisis de los trenes de engranes y en base a experimentos

realizados con el Prototipo Uno se llegó a la conclusión de tener mayor

torque en la articulación uno en relación a la articulación dos, de ésta

forma se independiza la rotación de cada eslabón sobre su respectivo eje

y a la vez permite el movimiento cuando los dos eslabones se encuentran

colineales.

Antes de iniciar el cálculo del torque en los trenes de engranajes se

requiere conocer el número de dientes y el diámetro exterior de un

engrane para calcular su respectivo módulo, ésta última característica será

igual para todos los componentes utilizados y su valor se obtiene de

acuerdo a la Ecuación 3.3, donde: es el módulo, es el diámetro

exterior y el número de dientes

Ecuación 3.3

Los parámetros antes mencionados y otros característicos de un tren

de engranes se muestran en la Figura 3.10.

Figura. 3.10. Parámetros característicos de un tren de engranes


31

3.1.4.1 Tren de engranes de la articulación uno

Para la articulación uno se utilizaron cuatro engranes (N1, N2, N3 y

N4), dos de ellos independientes y dos montados en el mismo eje (Figura

3.11). Para el cálculo se tiene como datos: longitud del eslabón uno igual a

137 mm y torque de operación del potenciómetro lineal (Vishay 534) de

9.9 N/mm de acuerdo a la hoja del fabricante (Anexo 4).

Figura. 3.11. Tren de engranes de la articulación uno

De acuerdo a los datos antes mencionados, se obtuvo un valor de

0.78N/mm para vencer la inercia del tren de engranes, los cálculos se

indican en la Tabla 3.3.

PRIMERA ARTICULACIÓN

Engrane N1 N2 N3 N4 Dientes 15 70 26 60 Diámetro de paso (mm) 15 70 26 60 Relación de transmisión 4.67 2.31 Relación total 10.77 Revoluciones 10 2.14 2.14 0.93 Fuerza (N) 1.32 1.32 3.56 3.56 Torque para vencer tren de engranes (N/mm)

0.78

Tabla. 3.3. Cálculo del torque mínimo para la articulación uno


32

3.1.4.2 Tren de engranes de la articulación dos

En la articulación dos se utilizaron los engranes N1 y N2 con ejes

independientes entre sí (Figura 3.12). Los datos de longitud de eslabón y

torque del potenciómetro son iguales para el tren de engranes de ambas

articulaciones. Se obtuvo un valor de torque mínimo de 0.47N/mm, los

cálculos se indican en la Tabla 3.4.

Figura. 3.12. Tren de engranes de la articulación dos

SEGUNDA ARTICULACION

Engranaje N1 N2 Dientes 12 78 Diámetro de paso (mm) 12 78 Relación de transmisión 6.50 Revoluciones 6.50 1 Fuerza (N) 1.65 1.65 Torque para vencer tren de engranes (N/mm)

0.47

Tabla. 3.4. Cálculo del torque mínimo para la articulación dos


33

3.1.4.3 Momento de inercia de la estructura mecánica

El valor de fuerza mínima necesaria para generar movimiento en la

estructura mecánica se obtiene de la Ecuación 3.4, donde: es la fuerza

mínima, la longitud del radio de giro, el momento de inercia respecto al

eje de rotación y la aceleración angular.

Ecuación 3.4

La longitud del radio de giro corresponde a la medida tomada desde

el eje de la primera articulación hasta el final del segundo eslabón, tiene

un valor de 274 mm tal como indica la Figura 3.13.

Figura. 3.13. Fuerzas incidentes sobre el Prototipo Final

La aceleración angular se calcula a partir de la velocidad lineal

indicada en la hoja técnica del fabricante del manipulador industrial (Anexo

2), porque en éste proyecto no se modifican los valores de velocidad y

aceleración del movimiento del robot. Para empezar se calcula la

velocidad angular utilizando la Ecuación 3.5 y a continuación obtenemos la

aceleración angular tal como indica la Ecuación 3.6, el valor del tiempo

se obtuvo de forma experimental.


34

Ecuación 3.5

Ecuación 3.6

Por último, el valor de inercia de la estructura mecánica se obtiene

directamente desde las propiedades físicas (Figura 3.14) del diseño del

Prototipo Final en SolidWorks (Figura 3.15) colocando el eje de giro en la

primera articulación y los eslabones colineales.

Figura. 3.14. Propiedades físicas del Prototipo Final


35

Figura. 3.15. Diseño del Prototipo Final en SolidWorks

Despejando de la Ecuación 3.4 se obtuvo un valor de fuerza

mínima igual a N, tal como indica la Ecuación 3.7.

Ecuación 3.7

3.1.4.4 Cálculo del torque mínimo

El valor del torque mínimo se calcula realizando la sumatoria del

torque de cada tren de engranes y de la inercia de la estructura mecánica,

hallando un valor de 6.71 N/mm. El resumen de dichos valores de indica

en la Tabla 3.5.

Torque - Tren de engranes (N/mm)

Articulación uno 0.78

Articulación dos 0.47

Subtotal 1.25 Momento de Inercia –

Estructura mecánica (N/mm)

Subtotal 5.46

SUMATORIA 6.71

Tabla. 3.5. Resumen de valores de torque e inercia


36

3.1.5 Área de trabajo del Prototipo Final

Debido a la configuración mecánica del Prototipo Final es necesario

restringir el alcance radial, en el caso de la primera articulación se ha

definido 310° y la segunda articulación en 180° (Figura 3.16), calculándose

un valor de área igual a 0.15m2 como se muestra en la Figura 3.17 b) de

acuerdo al diagrama de la figura 3.17 a).

Figura. 3.16. Alcance radial del Prototipo Final

Figura. 3.17. a) Diagrama del área de trabajo del Prototipo Final.

b) Perímetro y área de la superficie de trabajo del Prototipo Final


37

3.2 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y SENSORES PARA

EL PROTOTIPO HÁPTICO

El diseño del sistema eléctrico está directamente relacionado con el tipo

de sensor escogido para medir el ángulo de giro de cada articulación, para la

implementación en éste proyecto y debido al bajo costo, alta disponibilidad en el

mercado y facilidad de conexión se utilizarán potenciómetros rotacionales de

respuesta lineal conjuntamente con la tarjeta de adquisición de datos NI – USB

9229 (Anexo 5).

3.2.1 Sistema Eléctrico

El sistema eléctrico para el Prototipo Uno consiste en un convertidor

de voltaje diferencial a corriente (Figura 3.18) utilizando un amplificador

operacional LM 741 (Anexo 6), se utiliza dicho circuito porque la tarjeta de

adquisición de datos necesita un valor de corriente constante para realizar

la medición de resistencia.

Figura. 3.18. Convertidor de voltaje diferencial a corriente [8]

Para determinar el valor de se impone como datos la corriente de

carga ( ) igual a , la fuente y la fuente . De acuerdo

a la Ecuación 3.9 encontramos un valor de resistencia .

Ecuación 3.8


38

Ecuación 3.9

Por no existir en el mercado una resistencia de utilizamos una

resistencia de , donde aplicando la Ecuación 3.8 nos da como

resultado una corriente de carga .

En el caso del Prototipo Final se realiza directamente la medición de

voltaje utilizando un divisor de tensión (Figura 3.19), donde es el

potenciómetro encargado de medir el ángulo de giro de cada articulación y

es una resistencia constante para proteger la fuente de voltaje .

Figura. 3.19. Divisor de Tensión

Tanto en el diseño del Prototipo Uno como en el Prototipo Final los

canales de la tarjeta de adquisición de datos se conectan en paralelo al

potenciómetro.

3.2.2 Sensores

En el Prototipo Uno se utilizaron potenciómetros lineales de -

1revolución para medir el ángulo de giro en cada articulación. Si bien el

valor de resistencia no es directamente proporcional al valor del ángulo se

obtuvo una tabla de valores experimentales (Tabla 3.6) y la gráfica de

respuesta del sensor (Figura 3.20) mostrada a continuación:


39

Resistencia (Ω) Ángulo (°) Resistencia (Ω) Ángulo (°)

5 30 429 104

31,6 51,5 509 114,8

84,6 59,3 580 124,5

141,2 68 700 141,8

215,5 76 754 151

Resistencia (Ω) Ángulo (°) Resistencia (Ω) Ángulo (°)

812 165,5 950 252

845 181 965 267,2

870 195 980 284

897 212 988 294

928 234,5 997 305,5

Tabla. 3.6. Resistencia Vs. Ángulo potenciómetro lineal – Prototipo Uno

Figura. 3.20. Respuesta del Potenciómetro Lineal – Prototipo Uno

En la Figura 3.20 se indica la linealidad del sensor en el rango de los

100 Ω hasta los 800 Ω aproximadamente, esta característica disminuye

aún más el área de trabajo del Prototipo Uno, en consecuencia para el

Prototipo Final se utilizarán potenciómetros rotacionales de respuesta

lineal Vishay 534 de 1K - 10 revoluciones. Los datos experimentales del

potenciómetro Vishay se muestran en la Tabla 3.7 y su respectiva grafica

en la Figura 3.21.


40

Ángulo (°) Voltaje (V) Ángulo (°) Voltaje (V)

0 0,01 900 3,11

45 0,2 945 3,23

90 0,39 990 3,36

135 0,58 1035 3,48

180 0,75 1080 3,58

225 0,93 1125 3,69

270 1,11 1170 3,81

315 1,26 1215 3,91

360 1,43 1260 4,01

450 1,74 1350 4,22

495 1,9 1395 4,32

540 2,04 1440 4,42

585 2,18 1485 4,51

630 2,34 1530 4,61

675 2,47 1575 4,7

720 2,6 1620 4,79

765 2,73 1665 4,87

810 2,86 1710 4,98

855 2,99 1755 5,06

Ángulo (°) Voltaje (V) Ángulo (°) Voltaje (V)

1800 5,14 2745 6,64

1845 5,22 2790 6,69

1890 5,3 2835 6,76

1935 5,38 2880 6,82

1980 5,46 2925 6,87

2025 5,54 2970 6,93

2070 5,62 3015 6,99

2115 5,7 3060 7,04

2205 5,84 3150 7,15

2250 5,91 3195 7,2

2295 5,99 3240 7,25

2340 6,05 3285 7,31

2385 6,12 3330 7,36

2430 6,2 3375 7,41

2475 6,26 3420 7,46

2520 6,33 3465 7,5

2565 6,39 3510 7,56

2610 6,45 3555 7,61

2655 6,52 3600 7,65

Tabla. 3.7. Voltaje Vs. Ángulo potenciómetro lineal – Prototipo Final


41

Figura. 3.21. Respuesta del Potenciómetro Lineal – Prototipo Final

En base al resultado obtenido del comportamiento real del

potenciómetro Vishay 534, no es conveniente utilizar una línea de

tendencia lineal porque el error máximo a cometerse sería del 50%

aproximadamente, sin embargo utilizando una línea de tendencia

polinomial de grado 2 el error máximo a cometerse sería del 7,6%, razón

por la cual esta última ecuación (Figura 3.22) se aplicará en la subrutina

de la adquisición de datos.

Figura. 3.22. Línea de tendencia polinomial de segundo grado de la curva de

respuesta del sensor Vishay 534

CAPÍTULO 4

DESARROLLO DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN Y

SOFTWARE DE CONTROL DEL SISTEMA DE TELEOPERACIÓN

4.1 INTERFAZ DE COMUNICACIÓN

El sistema de teleoperación del manipulador industrial CRS A255 cuenta

con dos interfaces de comunicación (Figura 4.1):

a) Entre el dispositivo háptico y el software de control

b) Entre el controlador C500 y el software de control

Figura. 4.1. Interfaces de comunicación para el sistema de teleoperación

CAPÍTULO IV: DESARROLLO DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN Y SOFTWARE DE CONTROL DEL SISTEMA DE TELEOPERACIÓN ________________________________________________________________________________________________

43

4.1.1 Interfaz de comunicación para el dispositivo háptico

La interfaz de comunicación para el dispositivo háptico está

constituída por la tarjeta de adquisición de datos NI - 9229 (Anexo 5) y el

circuito eléctrico para la adquisición de resistencia del potenciómetro. En el

Prototipo Final se realizó la adquisición de voltaje (Figura 4.2) para obtener

el ángulo de giro en cada articulación debido a la estabilidad presentada

por esta medida, a diferencia de la adquisición de resistencia donde la

medición depende de un valor de corriente externa y la aplicación de la

Ley de Ohm para efectivamente medir el ángulo de giro.

Figura. 4.2. Adquisición de voltaje en el Prototipo Final

A continuación se muestra una breve guía de la configuración del

asistente de adquisición en la tarjeta NI - 9229. Primero se debe ubicar el

bloque del asistente de adquisición (Figura 4.3) en el diagrama de

bloques, después se define la asignación del tipo de señal (Figura 4.4) y la

selección del canal (Figura 4.5).

Figura. 4.3. Asistente de adquisición


44

Figura. 4.4. Asignación del tipo de señal

Figura. 4.5. Selección del Canal


45

Finalmente en la siguiente pantalla (Figura 4.6) del asistente de

adquisición se indica el rango de voltaje a medir, la frecuencia y el número

de muestras.

Figura. 4.6. Parámetros de medición

Para indicar al usuario un circuito general de conexión entre la

tarjeta de adquisición y los sensores, el asistente también facilita el

diagrama de conexión mostrado en la Figura 4.7.

Figura. 4.7. Diagrama de conexión


46

Al ser necesario ejecutar la adquisición en dos canales de forma

simultánea se utiliza un selector de señal capaz de permitir la elección del

canal y evitar problemas con la sincronización de las señales. El bloque de

selección de señal, la configuración y la conexión con el asistente de

adquisición se muestran en las Figuras 4.8, 4.9 y 4.10 respectivamente.

Figura. 4.8. Selector de señal

Figura. 4.9. Configuración del selector de señal

Figura. 4.10. Conexión del Asistente de adquisición y selector de señal


47

4.1.2 Interfaz de comunicación para el controlador C500

Entre los varios puertos de comunicación incluidos en el Controlador

C500 del manipulador CRS A255 se encuentra el puerto de comunicación,

ubicado en el panel frontal del mismo, identificándolo con un conector

DB25 adaptable a DB9 para la comunicación serial con el protocolo RS-

232.

El puerto serial requiere definir seis parámetros básicos para realizar

la comunicación exitosa entre Labview y el controlador C500, en la Tabla

4.1 se indica el nombre y su respectivo valor/designación.

Puerto Serial RS232 Parámetro Valor / Designación

Nombre del puerto COM1 Velocidad de transmisión 38400 bps Bits de datos 8 Paridad Ninguno Bits de parada 1 Control de flujo Hardware o ninguno

Tabla. 4.1. Parámetros de configuración - puerto serial RS232

Es condición necesaria tanto en el puerto de la computadora como

en el bloque de apertura del puerto serial en Labview, la igualdad de los

parámetros antes mencionados, solamente de esta forma se garantiza la

comunicación exitosa y se evitan conflictos en el envío de los caracteres

en hexadecimal.

A pesar de existir varias opciones para el control de flujo en la

transmisión de los datos, para las pruebas en este proyecto se han

considerado aplicables el control por hardware y sin control de flujo. En

ambos casos no existen problemas de comunicación con el controlador

C500 y el programa en Labview no deja de funcionar correctamente

mientras se realizan las pruebas.


48

4.2 DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA LA INTERFAZ DE

COMUNICACIÓN Y CONTROL DEL TELEOPERADOR

El software para la interfaz de comunicación y control del teleoperador se

ha desarrollado en Labview y está compuesto por siete etapas obligatoriamente

consecutivas, estas permiten comunicar el dispositivo háptico al robot industrial,

iniciar el movimiento en línea y finalizar la comunicación, dichas etapas se

enumeran a continuación:

a) Configuración del puerto serial

b) Inicialización de la comunicación

c) Ciclo infinito de adquisición de datos y envío de la sentencia de

movimiento

d) Fin de uso del dispositivo háptico

e) Envío a la posición inicial

f) Envío de secuencia de finalización

g) Cerrar el puerto serial

Para visualizar de forma global el funcionamiento del programa principal

se indica en la Figura 4.12 el diagrama de flujo y su respectivo diagrama de

bloques en Labview se encuentra en el Anexo 7.1.

4.2.1 Configuración del puerto serial

El puerto serial se configura correctamente definiendo los parámetros

de la Tabla 4.1 en el bloque VISA Configure Serial Port (Figura 4.11).

Figura. 4.11. Configuración del puerto serial en Labview


49

INICIO

INICIALIZACIÓN DE

LA COMUNICACIÓN

Configurar el puerto serial

ADQUISICIÓN DE

ANGULO

CINEMATICA

DIRECTA

ENVIO DE

COORDENADAS

STOP=True?

FIN

SI

NO

Definir cadena en

hexadecimal (18, 1A, 1A)

Velocidad de Transmisión

# de bits de datos

Paridad

Bit de parada

Control de Flujo

1

2

3

MOVER

4

5

Transformar a código ASCII

Enviar al controlador

Cerrar puerto

READY6

Figura. 4.12. Diagrama de flujo - programa principal (PRINCIPAL.vi)


50

4.2.2 Inicialización de la comunicación

Realizando ingeniería inversa se determinó la secuencia de

inicialización de la comunicación entre la computadora y el controlador

C500, se utilizó un lector de puerto serial de uso libre en la web, su

resultado se muestra en la Figura 4.13.

Figura. 4.13. Resultado del lector del puerto serial

Una vez realizada la comunicación con el controlador C500 desde

Labview se puede utilizar cualquier comando de Robcomm, en esta

aplicación inmediatamente después del envío de la cadena de

inicialización se envía el comando READY para visualizar el movimiento

del robot hacia la posición inicial y efectivamente comprobar la

comunicación exitosa.

Por motivos de reducir el retardo hasta un valor aceptable se envía

también al controlador el comando NOHELP, dicha sentencia no permite al

controlador completar automáticamente los comandos. El diagrama de

flujo de la inicialización de la comunicación se muestra en la Figura 4.14 y

su diagrama de bloques en el Anexo 7.2.


51

INICIALIZACIÓN DE LA

COMUNICACIÓN

Definir cadena de 3 carácteres

en hexadecimal (52,21,05)



Leer puerto

Definir cadena de 13 carácteres en

hexadecimal (01,21,FF,00, 48,00,01,

00, 00, 00, 00, 03, 69)



Leer puerto

Definir 06 en hexadecimal

Definir cadena con 7 carácteres

en hexadecimal que representan:

CtrlX, READY y enter


Botón INICIALIZAR -> Visible

Botón READY -> Invisible

INICIALIZAR=

True?NO

SI

Esperar 10ms

Esperar 10ms



Leer puerto

Esperar 20ms

Definir 04 en hexadecimal



Leer puerto

Botón INICIALIZAR -> Invisible

Botón READY -> Visible

READY=

True?

NO

SI

1

Definir string “NOHELP” y

enviar al controlador



CtrlX, NOHELP y enter


Figura. 4.14. Diagrama de flujo – Inicialización de la comunicación (INICIALIZACION.vi)


52

4.2.3 Ciclo infinito de adquisición de datos y envío de la sentencia

de movimiento

Esta etapa del programa se encuentra subdividida en cuatro partes,

donde se realiza la adquisición del ángulo, se calcula el punto en

coordenadas cartesianas utilizando la cinemática directa y se envía al

controlador los valores en el comando POINT para generar movimiento

utilizando el comando MOVE.

4.2.3.1 Adquisición del ángulo

Una vez configurado el asistente de adquisición se obtiene un valor

de ángulo de giro en cada articulación utilizando la curva de respuesta del

sensor, el diagrama de flujo de esta subrutina se muestra en la Figura 4.15

y el respectivo diagrama de bloques en Labview en el Anexo 7.3.

ADQUISICIÓN DE

ÁNGULO

Transformar el dato dinámico

a un arreglo double

Sacar el promedio

Usando la curva del sensor

obtener el valor del ángulo de giro

de cada articulación

Usando Select Signal permitir

la adquisición simultánea de

dos canales

2

Figura. 4.15. Diagrama de flujo – Adquisición del ángulo (Adquisición resist9229.vi)


53

4.2.3.2 Cinemática Directa.

Para calcular las ecuaciones de la cinemática directa se ha utilizado

el algoritmo de Denavit – Hartenberg, obteniendo la Tabla 4.2 a partir de la

Figura 4.16.

Eslabón Articulación

0 - 1 1

0

0 1 - 2 2

0

0

Tabla. 4.2. Parámetros de Denavit - Hartenberg

Figura. 4.16. Gráfico para obtener los parámetros de Denavit - Hartenberg

Utilizando el programa de cálculo Matematica se determinó la

siguiente matriz de transformación de cinemática directa, donde las

ecuaciones para y se indican en la Figura 4.17.

Figura. 4.17. Matriz de transformación de cinemática directa


54

El diagrama de flujo de la subrutina Cinemática se muestra en la

Figura 4.18 y el diagrama de bloques en el Anexo 7.4

CINEMÁTICA DIRECTA

DEFINIR:

Longitud de: L1 y L2

Valor de q1 y q2

Aplicar ecuaciones de

cinemática directa

rx=[eslabon1*cos(angulo1_r)]

+[eslabon2*cos(angulo1_r+angulo2_r)];

ry=[eslabon1*sin(angulo1_r)]

+[eslabon2*sin(angulo1_r+angulo2_r)];

Obtención de

coordenas (x,y)

3

Figura. 4.18. Diagrama de flujo – Cinemática directa (Cinematica.vi)

4.2.3.3 Envío de coordenadas.

Una vez obtenidas las coordenadas cartesianas del punto final en el

prototipo háptico, es necesario enviarlas al controlador C500 como

parámetros del comando POINT, para ello se genera un algoritmo que

construya el comando “POINT A =x, y, z, yaw, pitch, roll”, donde:

x, y: son los valores calculados por la cinemática directa

z: es un valor constante igual a 25,4 cm

yaw, pitch, roll: son valores que definen la posición del gripper

y son iguales a cero

El diagrama de flujo de la subrutina envío de coordenadas se indica

en la Figura 4.19, y el diagrama de bloques en el Anexo 7.5.


55

Arreglo=‟POINT A=‟

Z=10

Multiplica rx por el factor de correccion de la escala en pulgadas

X=rx*1,85

X>=0?

Insertar „+‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A=+‟

Insertar „-‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A=-‟

a=|X|

Redondear X al menor entero mas cercano = b

Dividir b entre 10

c=a-b

c=c*1000

Cuociente>0?

Q>0?

Convertir Q de numero a string

Insertar Q al Arreglo

Arreglo=‟POINT A=+Q‟

Convertir Residuo R de numero a string

Insertar R al Arreglo

Arreglo=‟POINT A=+R‟

Convertir Residuo R de numero a string

Insertar R al Arreglo

Arreglo=‟POINT A=+QR‟

Insertar „.‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A=+QR.‟


Arreglo=‟POINT A=+R.‟

ENVIO DE COORDENADAS

Dividir c entre 10

Residuo R1 convertir de numero a string

Ccuociente Q1 convertir de numero a string

Insertar Q2,R2,R1 al Arreglo

Insertar „,‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,‟

Dividir Q1 entre 10


Cuociente Q2 convertir de numero a string

Dividir c entre 10





Arreglo=‟POINT A= +R.Q2R2R1,‟

Dividir Q1 entre 10



1 2

SI NO

SI NO


56

1 2

Multiplica ry por el factor de correccion de la escala en pulgadas

Y=ry*1,85

Y>=0?

Insertar „+‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+‟

Insertar „-‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,-‟

m=|X|

Redondear X al menor

entero mas cercano = n

Dividir b entre 10

p=m-n

p=p*1000

Cuociente>0?

Qy>0?

Convertir Qy de numero a string

Insertar Qy al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+Qy‟

Convertir Residuo Ry de numero a string

Insertar Ry al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+Ry‟

Convertir Residuo Ry de numero a string

Insertar Ry al Arreglo

Arreglo=‟POINT A=+QyRy‟


Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+QyRy.‟Insertar „.‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+Ry.‟

Dividir p entre 10





Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+QyRy.Q4R4R3,‟

Dividir Q3 entre 10



Dividir p entre 10





Arreglo=‟POINT A= +R.Q2R2R1,+Ry.Q4R4R3,‟

Dividir Q3 entre 10



3 4

SI NO

SINO


57

3 4

Insertar Z como string al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+QyRy.Q4R4R3,Z‟

Insertar Z como string al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +R.Q2R2R1,+Ry.Q4R4R3,‟

Insertar „,0,0,0,‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +QR.Q2R2R1,+QyRy.Q4R4R3,Z,0,0,0,‟

Insertar „,0,0,0,‟ al Arreglo

Arreglo=‟POINT A= +R.Q2R2R1,+Ry.Q4R4R3,Z,0,0,0,‟

Enviar Arreglo por el puerto serial

Enviar 0Dh en codigo ASCII al

controlador (ENTER)

4

Figura. 4.19. Diagrama de flujo – Envío de coordenadas (ARREGLO_1.vi)

4.2.3.4 Envío de la sentencia de movimiento.

En este punto de la ejecución del programa el controlador C500

conoce el punto (X, Y), el cual debe ser alcanzado por el manipulador

industrial, para generar movimiento se utiliza el comando MOVE, el cual se

envía como lo muestra la Figura 4.20, coherente con su diagrama de

bloques en el Anexo 7.6.

Definir una cadena tipo string:

MOVE A


Enviar 0D en código ASCII al

controlador (Enter)

MOVER

5

Figura. 4.20. Diagrama de flujo – Mover (MOVE.vi)


58

4.2.4 Fin de uso del dispositivo háptico

Cuando el usuario desea finalizar el movimiento en el manipulador

industrial solamente debe presionar el botón STOP, el robot alcanza el

último punto cartesiano enviado y detiene los servomotores. El booleano

STOP está definido como variable global y se ubica en el control de

finalización del lazo while (ítem d Anexo 7.1).

4.2.5 Envío a la posición inicial

Para colocar nuevamente el robot en la posición inicial una vez

finalizado el movimiento en línea, se envía el comando READY, el

diagrama de flujo se indica en la Figura 4.21 y su respectivo diagrama de

bloques en el Anexo 7.7.



CtrlX, READY y enter


READY

6

Esperar 5 segundos

Figura. 4.21. Diagrama de Flujo - READY.vi

4.2.6 Envío de secuencia de finalización

Para finalizar correctamente la comunicación entre Labview y el

controlador C500 es necesario enviar una secuencia de finalización

encargada de terminar el envío y recepción de datos y permitir la correcta

apertura del puerto en la siguiente sesión.


59

El diagrama de bloques de dicha secuencia se indica en el Anexo

7.8.

4.2.7 Cerrar el puerto serial

Como último paso en el uso del programa y por seguridad del puerto

serial, se cierra el puerto desde Labview como parte del programa

principal, el bloque que permite esta acción se indica en el ítem g del

Anexo 7.1.

CAPÍTULO 5

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA Y PRUEBAS DE

FUNCIONAMIENTO

Como resultado de la investigación en éste proyecto, el presente capítulo

comprende:

a) Construcción y montaje del prototipo háptico diseñado en el Cap. III

b) Integración y funcionamiento del prototipo háptico y el sistema

robótico CRS A255

c) Pruebas y resultados de la evaluación del desempeño del sistema de

teleoperación en el trazo por puntos y de figuras geométricas

5.1 CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE DEL PROTOTIPO HÁPTICO

En función del prototipo háptico diseñado en el capítulo III, se procedió a

la construcción y montaje de la estructura mecánica tomando en cuenta las

siguientes características de adecuación para el uso aplicables en éste

proyecto:

a) Los componentes del dispositivo háptico deben construirse con

materiales livianos, resistentes y de fácil maquinado.

CAPÍTULO V: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ________________________________________________________________________________________________

61

b) En las piezas de sujeción tales como tornillos, tuercas, rodelas,

prisioneros y rodamientos se llegará a un acuerdo entre coste y

funcionalidad, lo cual no debe representar dificultad en el momento

de realizar tareas de ajuste, calibración y mantenimiento.

c) El montaje de los componentes y las piezas de sujeción debe

realizarse de tal forma de no presentar dificultad en el caso de

reemplazar alguna de ellas.

A continuación se describe la estructura mecánica del Prototipo Final, la

cual está comprendida por tres partes fundamentales (Figura 5.1) descritas con

su respectiva tabla de correspondencia:

Partes constitutivas:

A) Base de sujeción B) Primer eslabón C) Segundo Eslabón

Figura. 5.1. Partes fundamentales del Prototipo Final

Principalmente los materiales utilizados en la construcción del dispositivo

háptico son tres, el detalle de cada uno de estos se encuentra en el Anexo 3:

a) Duralón: Material elegido por sus características de dureza y facilidad

de maquinado en la fabricación de todos los ejes encargados de

soportar los engranes y el elemento terminal de manejo del

dispositivo háptico.


62

b) Plástico ABS: Corresponde al material de todos los engranes

propiamente dichos independientemente de su tamaño y número de

dientes.

c) Plástico PVC: Designado para la base de sujeción y el cuerpo del

primer y segundo eslabón.

De acuerdo a la Figura 5.1 a continuación se ilustra el diseño y la

implementación de cada parte fundamental del dispositivo háptico en conjunto

con su gráfico descriptivo de componentes.

A: Base de sujeción

Diseño

Implementación

Figura. 5.2. Base de sujeción: diseño e implementación

B: Primer eslabón

Diseño

Implementación

Figura. 5.3. Primer eslabón: diseño e implementación


63


a) Eslabón 1 de longitud L1 (127mm) (Tapa superior) b) Eslabón 1 de longitud L1 (127mm) (Tapa inferior) c) Engranaje N1 16 dientes modulo 1 d) Engranaje N2 70 dientes modulo 1 e) Engranaje N3 26 dientes modulo 1 f) Engranaje N4 60 dientes modulo 1 g) Eje 1 del engranaje N1 h) Eje 2 del engranaje N2 y N3 i) Eje 2 del engranaje N4 j) 3 rodamientos para extremos superiores de ejes 1, 2 y 3 k) 3 rodamientos para extremos inferiores de ejes 1, 2 y 3

Figura. 5.4. Primer eslabón – Descripción de componentes

C: Segundo eslabón

Diseño

Implementación

Figura. 5.5. Segundo eslabón: diseño e implementación


64


a) Eslabón 2 de longitud L2 (127mm) (Tapa superior) b) Eslabón 2 de longitud L2 (127mm) (Tapa inferior) c) Engranaje N1, 12 dientes modulo 1 d) Engranaje N2, 78 dientes modulo 1 e) Eje 1 del engranaje N1 f) Eje 2 del engranaje N2 g) 2 rodamientos para extremos superiores de ejes 1 y 2 h) 2 rodamientos para extremos inferiores de ejes 1 y 2 i) 1 rodamiento sujetador del elemento terminal de manejo del prototipo j) Elemento terminal de manejo del prototipo háptico

Figura. 5.6. Segundo eslabón – Descripción de componentes

Finalmente en la Figura 5.7 se indica el diseño y la implementación

del Prototipo Final, en el Anexo 8 es posible observar el gráfico de

descripción de componentes y la lista total de elementos conjuntamente

con el costo final.

Diseño

Implementación

Figura. 5.7. Prototipo Final: Diseño e implementación


65

5.2 INTEGRACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO

HÁPTICO Y EL SISTEMA ROBÓTICO CRS A255

El Sistema de Teleoperación integra siete componentes, los cuales

permiten el movimiento del manipulador industrial de acuerdo al movimiento del

dispositivo háptico. La Figura 5.8 indica un diagrama general de interconexión

entre cada uno de ellos.

Figura. 5.8. Integración del Sistema de Teleoperación

a) Dispositivo Háptico

b) Acondicionamiento de la señal (divisor de tensión)

c) Tarjeta de adquisición de datos (NI - 9229)

d) Interfaz USB

e) Software de Control (Labview 8.5)

f) Interfaz Serial RS 232

g) Controlador C500

En resumen el diagrama de la Figura 5.8 se interpreta como sigue, el

software de control programado en LABVIEW 8.5 (e) está encargado de la

comunicación serial (f) con el controlador C500 (g) así como la comunicación

USB (d) con la tarjeta NI-9229 (c).


66

Los datos obtenidos del acondicionamiento de la señal (b) y a través de la

tarjeta de adquisición son procesados por el software de control donde se hallan

coordenadas (X, Y) del elemento final del dispositivo háptico (a), para

posteriormente generar un comando de movimiento y enviarlo al sistema

robótico CRS - A255 alcanzando finalmente el punto (X‟, Y‟), coordenada a

escala del punto hallado en el dispositivo háptico.

El funcionamiento del Sistema de Teleoperación se ejecuta de acuerdo al

diagrama de bloques ilustrado en la Figura 5.9.

Inicio

Condiciones

iniciales

Ejecución del

Sistema de

Teleoperación

Fin de la

ejecución ?

Fin

Computadora

Manipulador Robótico CRS A255

Prototipo Háptico

SI

NO

Figura. 5.9. Funcionamiento del Sistema de Teleoperación

5.2.1 Condiciones iniciales de funcionamiento

Para un correcto funcionamiento del Sistema de teleoperación son

necesarias varias condiciones iniciales para la PC, el manipulador

industrial CRS A255 y el prototipo háptico, las cuales se detallan a

continuación:


67

Para la PC:

Instalar la plataforma de programación LABVIEW 8.5 o superior junto

con el software Measurement & Automation.

Instalar el complemento DAQmx para la base de datos de tarjetas de

adquisición.

Disponer mínimo de 2 puertos USB libres, para la tarjeta de

adquisición NI-9229 y la interfaz USB-Serial.

Para el Sistema Robótico CRS-A255:

Encender el controlador C500.

Colocar el manipulador industrial en la posición inicial (HOME)

utilizando el teach pendant, posición ilustrada en la Figura 5.10.

Figura. 5.10. Posición inicial (HOME) – Manipulador industrial CRS A255

Para el prototipo háptico:

Conectar la tarjeta NI - 9229 a la computadora y esperar su detección

por el software .


68

Conectar los sensores y los canales de la tarjeta NI-9229 con las

borneras correspondientes en la caja de la fuente de voltaje ilustrada

en las Figura 5.11 a) y b) respectivamente.

Figura. 5.11. a) Diagrama de conexión entre el dispositivo háptico y la tarjeta de

adquisición. b) Fuente de voltaje para la adquisición de datos

Alinear el prototipo háptico (sus dos eslabones extendidos) con el eje

X del manipulador industrial como lo muestra la Figura 5.12.

Figura. 5.12. Alineación entre el manipulador industrial CRS A255 y el dispositivo

háptico

5.2.2 Ejecución del Sistema de Teleoperación

Una vez cumplidas estas condiciones iniciales se debe abrir el panel

frontal de los programas Principal.vi y Stop_Global.vi, los cuales

constituyen la interfaz de usuario (Figura 5.13) donde se puede monitorear

y configurar ciertos parámetros del funcionamiento del sistema de

teleoperación, a continuación se explica cada etapa de la ejecución del

programa:


69

A: Corresponde a la configuración de la comunicación serial, indica

valores ya establecidos y no configurables, garantizando el correcto

funcionamiento del programa.

B: En esta sección de la interfaz se indica el ángulo de giro de cada

articulación tomando como 0 grados el eje X del manipulador

industrial.

C: La cinemática directa muestra la coordenada (X, Y, Z), la cual se

desea alcanzar con el manipulador industrial, donde el valor de Z es

constante por tratarse del movimiento en un solo plano.

D: En esta parte de la interfaz se muestra el comando constituido por

todos los parámetros de posición, los cuales están siendo enviados

al controlador C500.

E: Se muestra la ventana del botón STOP, el cual detiene el

movimiento actual del manipulador industrial y lo hace mover a su

posición inicial, detiene el programa y finaliza la sesión de

comunicación entre la PC y el controlador C500.

Figura. 5.13. Interfaz de usuario del Sistema de Teleoperación


70

5.2.3 Captura de pantallas de la ejecución del programa

Conociendo ya las condiciones iniciales de funcionamiento del

sistema de teleoperación se muestra a continuación la captura de las

pantallas de la ejecución del software de control.

Al iniciar el funcionamiento del programa Principal.vi

inmediatamente se mostrará la pantalla correspondiente a la Figura 5.14,

donde se dispone al usuario el botón INICIALIZAR, al presionarlo enviará

la secuencia de inicialización de la comunicación entre la PC y el

controlador C500 configurando a este último en modo inmediato, es decir,

obedecerá la ejecución del comando enviado.

Figura. 5.14. Inicializar la comunicación

Después de haber inicializado la comunicación entre la PC y el

controlador C500, el usuario deberá presionar el botón READY (Figura

5.15), condición necesaria para iniciar el movimiento del manipulador

industrial desde su posición inicial.


71

Figura. 5.15. Sistema listo

A pesar de no mostrarse en la interfaz de usuario el hecho de haber

alcanzado la posición inicial en el manipulador industrial, se enviará al

controlador C500 el comando NOHELP, necesario para cancelar el retorno

de partes del comando hacia la computadora y evitar errores de sintaxis.

Una vez alcanzada esta etapa del programa se iniciará una

secuencia de lazo infinito obteniendo los ángulos de las articulaciones del

dispositivo háptico y convirtiéndolas en coordenadas a donde deberá

llegar el manipulador industrial.

El indicador En movimiento estará encendido siempre y cuando la

coordenada a enviar al controlador sea válida (Figura 5.16), evitando

errores de cálculo cinemático y un posible daño en la estructura del

manipulador industrial. Cuando dicha coordenada no sea válida o esté

fuera del área de trabajo especificada, el indicador se apagará y no

permitirá el movimiento del manipulador mientras el prototipo no haya

cambiado de posición y la coordenada a enviarse sea nuevamente válida,

continuando así el funcionamiento normal del sistema de teleoperación.


72

Figura. 5.16. Validación de movimiento

Cuando el usuario decida detener el funcionamiento del sistema de

teleoperación necesitara simplemente presionar el botón STOP (Figura

5.17). Esta acción detendrá el movimiento actual del manipulador para

posteriormente colocarlo en su posición inicial y finalmente cerrar la

comunicación entre la PC y el controlador C500.

Figura. 5.17. Botón de parada (STOP)

5.3 PRUEBAS Y RESULTADOS

Con el objetivo de evaluar el desempeño del sistema de teleoperación se

ha escogido el método prueba y error debido a la característica del sistema

como seguidor de movimiento.


73

Como primer parámetro se determinará la tolerancia del sistema y en

cuanto a pruebas de trazo se iniciará con la marcación de puntos

conjuntamente con el parámetro de repetibilidad, para finalizar con el trazo de

figuras geométricas como: líneas, polígonos, arcos y circunferencias.

5.3.1 Tolerancia del Sistema

La tolerancia del sistema de teleoperación está determinada por el

juego natural del tren de engranes en la primera articulación, debido al

mayor número de puntos de contacto entre engranes. El juego natural

entre dos engranes se considera como el ángulo de giro dentro del cual

los engranajes pierden contacto entre sí, es decir, mientras mayor sea el

número de contactos mayor será el juego natural.

Para definir dicho parámetro en el sistema de teleoperación de este

proyecto se trazó dos segmentos de recta (OR, OR1), la primera

representa el movimiento hasta antes de vencer el juego del tren de

engranes y la segunda después, la tabla de resultados se muestra en el

Anexo 9 y su respectivo gráfico en la Figura 5.18.

Figura. 5.18. Tolerancia del sistema de teleoperación

La tolerancia para el eje X tiene un valor de ± 0,3 (cm) y en el eje Y

alcanza un valor de ± 2,6 (cm).


74

5.3.2 Trazo por puntos

Para evaluar el desempeño del sistema de teleoperación en la

ubicación de puntos en el plano cartesiano se han realizado pruebas de

ubicación hacia los puntos definidos como A, B, C (Figura 5.19).

Figura. 5.19. Diagrama para pruebas de trazo del sistema de teleoperación

Los resultados obtenidos en el manipulador robótico (A1, B1, C1) y

en el dispositivo háptico (A, B, C) corregidos la escala se muestran en el

Anexo 9 y su respectivo gráfico en la Figura 5.20.

Figura. 5.20. Trazo por puntos – Sistema de Teleoperación (Dispositivo Háptico)

De acuerdo a los datos anteriores se ha calculado la desviación y el

error porcentual, en la Tabla 5.1 se indican los resultados.


75

X Y

Desviación máxima (cm) 11,6 1,4

MAX error porcentual (%) 23,3 20,3

Tabla. 5.1. Desviación y Error porcentual – Trazo por puntos

5.3.2.1 Repetibilidad

Para determinar la repetibilidad del sistema se tomaron 10 puntos

(Figura 5.21) con 100 repeticiones de medida para cada uno, de los datos

obtenidos se tomo el punto con el mayor número de repeticiones y se

calculó el porcentaje de acuerdo al valor del alcance.

En el punto J se obtuvo el mayor número de repeticiones (Figura

5.22), alcanzando una repetibilidad del 51% para X y de 98% para el eje Y.

Los resultados del resto de puntos junto con los valores de repetición se

encuentran en el Anexo 9.

Figura. 5.21. Puntos para el cálculo de la repetibilidad del sistema


76

Figura. 5.22. Punto con mayor número de repeticiones (J)

5.3.3 Trazo de figuras

Para evaluar el desempeño del sistema de teleoperación en el trazo

de formas se han realizado pruebas con las siguientes figuras

geométricas:

a) Línea (0R)

b) Polígono (Triángulo ABC)

c) Arco (PQ, UT)

d) Circunferencia (PQRS)

5.3.3.1 Trazo de línea

El segmento de recta 0R de la Figura 5.19 se utilizó para verificar el

trazo de una línea utilizando el sistema de teleoperación. Los datos

obtenidos se encuentran en el Anexo 9 y su gráfico correspondiente en la

Figura 5.23.


77

Figura. 5.23. Trazo de línea – Sistema de Teleoperación



X Y



Tabla. 5.2. Desviación y Error porcentual – Trazo de línea

5.3.3.2 Trazo de polígono

Se ha elegido el triángulo ABC (Figura 5.19) para verificar el trazo de

un polígono, la tabla de resultados se indica en el Anexo 9 y el gráfico

correspondiente en la Figura 5.24.

Figura. 5.24. Trazo de polígono – Sistema de Teleoperación


78



X Y



Tabla. 5.3. Desviación y Error porcentual – Trazo de polígono

5.3.3.3 Trazo de arco

Para verificar el funcionamiento de las articulaciones del dispositivo

háptico se ha trazado el arco PQ utilizando dos articulaciones y el arco UT

utilizando únicamente la segunda articulación, el trazo del dispositivo

háptico se puede visualizar en la Figura 5.19.

Las tablas obtenidas en ambos casos se encuentran en el Anexo 9 y

sus correspondientes gráficos se indican en las Figuras 5.25 y 5.26.

Figura. 5.25. Trazo de arco PQ – Sistema de Teleoperación


79

Figura. 5.26. Trazo de arco UT – Sistema de Teleoperación

De los datos anteriores se obtuvo los siguientes valores de

desviación y error porcentual (Tablas 5.4 y 5.5).

X Y



Tabla. 5.4. Desviación y error porcentual – Trazo de arco PQ

X Y



Tabla. 5.5. Desviación y error porcentual – Trazo de arco UT

5.3.3.4 Trazo de circunferencia

Finalmente se realizó el trazo de la circunferencia descrita por los

puntos PQRS en la Figura 5.19. La tabla con los resultados obtenidos en

el manipulador industrial y el dispositivo háptico se detallan en el Anexo 9

y la Figura 5.27 indica el gráfico de los datos antes mencionados.


80

Figura. 5.27. Trazo de circunferencia – Sistema de Teleoperación

El cálculo de la desviación y el error porcentual se indica en la Tabla

5.6.

X Y



Tabla. 5.6. Desviación y error porcentual – Trazo de circunferencia

CAPÍTULO 6

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 CONCLUSIONES

El dispositivo háptico fue diseñado e implementado para manipular el

movimiento del robot CRS A255 en un solo plano poniendo en

marcha el sistema de teleoperación.

El dispositivo háptico en dos dimensiones fue caracterizado como un

robot SCARA en sus dos primeras articulaciones, el largo de sus

eslabones fue calculado en función de la sensibilidad definida en

1mm, alcanzando la mitad de la longitud de los eslabones del

manipulador industrial, es decir 12,7 cm. El área cubierta por el

prototipo fue del 20% del área definida con una altura de z = 25.4 cm

en el manipulador industrial.

Para darle una característica háptica al dispositivo diseñado se

implementó un sistema de tren de engranes para cada articulación,

con la finalidad de añadir a la estructura una fuerza inercial opuesta

al movimiento generado por el usuario. En la primera articulación se

utilizaron cuatro engranes y en la segunda articulación dos engranes,

siendo la fuerza mínima igual a para generar

movimiento en la estructura mecánica.

CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ________________________________________________________________________________________________

82

El software de control para la interfaz de comunicación entre la

estructura mecánica del dispositivo háptico y el robot CRS A255 fue

desarrollado bajo la plataforma de programación gráfica Labview 8.5,

por la facilidad al momento de realizar la adquisición de datos,

comunicación serial, cálculos matemáticos y también por ser un

software estándar a nivel mundial en la implementación de

instrumentos virtuales a nivel de laboratorio.

Se integró el sistema dispositivo háptico y el manipulador industrial

CRS A255 a través de un sistema de control constituido por las

interfaces serial RS-232 (computadora/Controlador C500) y USB

(computadora/dispositivo háptico), exponiendo el comportamiento del

sistema mediante una interfaz de usuario fácilmente comprensible

dividida en cinco regiones importantes: inicialización de la

comunicación, adquisición de datos, cinemática directa, envío de

comandos de movimiento al controlador del robot y fin de la sesión.

Utilizando un monitor de puerto serial se determinó la existencia de

una secuencia de inicio de sesión entre el controlador C500 y la

computadora al ejecutar el modo terminal en Robcomm. De igual

forma se comprobó el uso de código ASCII al momento de enviar

cualquier comando del RAPL II.

Gracias al descubrimiento del protocolo de comunicación entre la

computadora y el controlador C500 hemos abierto la arquitectura del

sistema robótico, haciendo posible el uso de cualquier software

provisto de comunicación serial, esta característica permite aumentar

la programabilidad del manipulador industrial CRS A255.

El dispositivo háptico fue construido en materiales livianos,

resistentes y de fácil maquinado como duralón (ejes de engranes),

plástico ABS (engranes) y plástico PVC (eslabones), los cuales dan

estética a la estructura implementada a la vista del operador.


83

Utilizando el método prueba y error en el sistema de teleoperación se

realizaron pruebas de trazos por puntos y de figuras geométricas,

siendo el nivel de dificultad mayor el trazo de una circunferencia. En

cuanto al trazo por puntos se determinó la repetibilidad alcanzada en

un valor de 51% para el eje X y de 98% para el eje Y. En el trazo de

la circunferencia se determinó la máxima desviación en el eje X con

un valor de 17,1 cm y de 0.9 cm en el eje Y; con respecto al error

porcentual se calculó el 33% para el eje X y el 15,6% para el eje Y.

Por tanto el sistema de teleoperación implementado en este proyecto

es aplicable para la marcación de puntos, no así para el trazo de

curvas continuas.

La tolerancia de éste sistema de teleoperación tiene un valor de ± 0,3

cm en X y de ± 2,6 cm en el eje Y, está determinada por el juego

natural del tren de engranes de la primera articulación, debido a los

cuatro engranes y dos puntos de contacto de los cuales está

constituida. Es éste un parámetro trascendente en la pérdida de

precisión en cuanto al trazo de curvas continuas


84

6.2 RECOMENDACIONES

Para reducir al máximo posible la tolerancia del sistema de

teleoperación utilizando el sistema de tren de engranes para generar

realimentación de fuerza, se recomienda utilizar como máximo dos

engranes por cada articulación.

De aplicar otro tipo de realimentación de fuerza en el dispositivo

háptico, es preferible colocar el sensor de posición directamente en

el eje de la articulación, esto reduciría aún más la tolerancia del

sistema permitiendo el trazo de curvas continuas.

El eje principal de cada articulación del tren de engranes se lo debe

fabricar en materiales de mayor grado de dureza, puede ser aluminio

o bronce. Esto evita problemas de cabeceo de la estructura y mayor

error en la precisión en el funcionamiento del sistema de

teleoperación.

Es necesario realizar un análisis más profundo de la comunicación

entre la computadora y el controlador C500 en un proyecto posterior,

incluyendo todo el volumen de trabajo del manipulador CRS A255 a

fin de reducir retardos en la comunicación y problemas de error en la

sintaxis de los comandos de movimiento.

Si se busca alcanzar una respuesta en tiempo real entre el

movimiento del dispositivo háptico y el manipulador industrial es

necesario trabajar en parámetros dinámicos del robot, lo cual

provoca un movimiento más fluido utilizando un mínimo de recursos

en cuanto al funcionamiento de los servomotores del manipulador

industrial.


85

Para obtener realimentación de fuerza en un futuro diseño de

dispositivos hápticos se pueden integrar en las articulaciones

actuadores como: motores, músculos de alambre o imanes. Los

cuales brindan una resistencia controlada al movimiento del usuario,

dando la característica necesaria para alcanzar tiempo real entre el

dispositivo maestro y esclavo.

BIBLIOGRAFÍA

[1] http://www.gmrv.es/~cgarre/TDRV_Hapticos_Cgarre.pdf,

Técnicas y Dispositivos para Realidad Virtual.

[2] http://es.wikipedia.org/wiki/H%C3%A1ptica, Háptica.

[3] Brooks, F. P., Jr., 1977, << The computer ``scientist'' as tool smith--studies in

interactive computer graphics >>, Proceedings of IFIP 1977, 625-634.

[4] http://www.acm.org/crossroads/espanol/xrds3-3/haptic.html#8,

Factores humanos en Interfaces Hápticas.

[5] http://www.egrafica.unizar.es/ingegraf/pdf/Comunicacion17018.pdf,

Interfaces Hápticos. Aplicación en entornos virtuales.

[6] Barrientos, A.; Peñín, L.; Balaguer, C.; Aracil, R. (2007), << Fundamentos de

Robótica >>, Segunda Edición, Editorial McGraw Hill, Impreso en España.

[7] CRS Robotics Corporation (1993), << Robot Arm Installation and Operation

Manual >>, A255 Series Small Industrial Robot System, Ontario – Canadá

[8] Coughlin, R.; Driscoll, F. (1999), << Amplificadores Operacionales y circuitos

integrados lineales >>, Quinta Edición, Editorial Prentice Hall, Impreso en

México, 128-129.

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http://www.acm.org/crossroads/espanol/xrds3-3/haptic.html#8

http://www.egrafica.unizar.es/ingegraf/pdf/Comunicacion17018.pdf

ANEXOS

ANEXO 1

Comandos para ROBCOMM

Comandos de Movimiento

Descripción

ALIGN Alinea la herramienta con el eje mayor que se encuentre más cerca

APPRO Mueve el robot una distancia especificada desde la posición actual

CIRCLE Mueve el robot en un camino circular definido

CPATH Ejecuta un trazo continuo

CTPATH Programa un trazo continuo incluyendo puntos aprendidos

DEPART Mueve el robot fuera de su localización actual

FINISH Termina un movimiento completo y continua la programación

GAIN Cambia la ganancia de posición de los servos

GOPATH Ejecuta un trazo continuo programado con CTPATH

HALT Detiene todos los movimientos y setea "mantener el bloqueo" en la entrada

JOG Mueve el TCP (Punto Central de la Herramienta) un incremento cartesiano (X, Y, Z)

REMOTE Permite a un usuario remoto acceder a los comandos de movimiento del brazo

X Mueve el TCP un incremento en la dirección X

Y Mueve el TCP un incremento en la dirección Y

Z Mueve el TCP un incremento en la dirección Z

YAW Gira la herramienta alrededor del TCP por un incremento en el ángulo de YAW (giro)

PITCH Gira la herramienta alrededor del TCP por un incremento en el ángulo de PITCH (inclinación)

ROLL Gira la herramienta alrededor del TCP por un incremento en el ángulo de ROLL (torsión)

JOINT Mueve una articulación por un desplazamiento angular indicado

LIMP Desactiva los seguros de todos los servos

LOCK Bloquea el movimiento de una articulación

MA Mueve todas las articulaciones en un valor radial absoluto

MI Mueve todas las articulaciones en un valor radial incremental

MOTOR Selecciona un motor por un número indicado de pulsos

MOVE Mueve el TCP a una localización específica

NOLIMP Activa los seguros de los servos

ONLINE Setea el modo ONLINE para todos los comandos de movimiento siguientes

READY Mueve el brazo a la posición de READY

SPEED Setea velocidad para el movimiento del robot

UNLOCK Permite moverse a las articulaciones seleccionadas

VIA Mueve a través de los puntos seleccionados en el modo JOINT o WORLD

Comandos de Entrada/Salida

Descripción

ARM Habilita o deshabilita la fuente de poder del brazo

CONFIG Setea la configuración en el puerto RS232

DEVICE Selecciona el puerto RS232 para usar

IFPOWER Revisa el estado de la fuente de poder del brazo

IFSIG Estado condicional basado en una entrada (s) seleccionada

IGNORE Apaga las interrupciones automática del robot

INPUT Ingresa un dato durante la corrida de un programa

ONPOWER Espera a que se encienda la fuente de poder del brazo

ONSIG Enciende las interrupciones automáticas del robot

OUTPUT Enciende las salidas seleccionadas

PRINTF Información de la salida string estructurada en el puerto seleccionado

SERIAL Despliega el estado del puerto RS232

TRIGGER Cambia el estado de una salida digital en el movimiento indicado

WAIT Espera por una condición seleccionada en una entrada digital del puerto

Comandos de Sistema

Descripción

? Muestra la lista de comandos

; Agrega una línea de comentario

ALLOC Particiona y borra la memoria del robot

AXSTATUS Muestra el estatus de la tarjeta de cada eje

COPY Duplica un programa

DELETE Borra un programa

DPROG Igual que DELETE

DISABLE Apaga un interruptor por software

ENABLE Enciende un interruptor por software

FREE Muestra el estado del uso de la memoria

HELP Enciende el constructor de sintaxis

HIMEM Reserva una parte del buffer de programa para otros usos

IORD Lee un valor de byte o palabra en el puerto de salida del 80286

IOWR Escribe el valor de una constante o variable en el puerto de salida del 80286

LISTP Enlista los programas de un dispositivo seleccionado

LPROG Igual que LISTP

MEMRD Lee el contenido de una dirección de memoria

MEMWR Escribe una constante o variable en una dirección de memoria

NEW Borra un espacio de memoria

NOHELP Apaga el constructor de sintaxis

NOMANUAL Deshabilita el modo Manual

NOTRACE Deshabilita el modo Trace

PASSWORD Permite el acceso a los comandos de nivel Monitor

RENAME Cambia al nombre de un programa

@@SETUP Altera los controles de operación por defecto del controlador

STATUS Despliega el estado que opera la aplicación del robot

SYSTEM Despliega el estado de la configuración de hardware

@@XNET Configura la red interna

Comandos de flujo de

programa Descripción

ABORT Termina la ejecución del programa y detiene el movimiento

GOSUB Pasa el control a un sub-programa especificado

GOTO Salto incondicional a un número de línea

IF Ejecuta si la expresión variable es verdadera

IFPOWER Ejecuta en el estado de encendido del robot

IFSIG Ejecuta en el estado de las estradas seleccionadas

IFSTART Ejecuta en el estado del interruptor Auto Start

IFSTRING Ejecuta en el estado de una comparación de string

ONPOWER Espera a que la alimentación del brazo sea encendida

ONSIG Enciende las interrupciones del robot

ONSTART Espera a que el interruptor Auto Start sea presionado

PAUSE Detiene el flujo del programa hasta el comando PROCEED

PROCEED Continua el flujo del programa después del comando PAUSE o el "soft-abort" (<Ctrl-A)

RETRY Sigue una corrección de error, éste comando reintentará la línea

RETURN Regresa el control de la subrutina al programa principal

RUN Inicia un programa varias veces

STOP Comando que indica la finalización de un programa

Comandos Miscelánea

Descripción

DELAY Indica de un tiempo de retardo

DIR Enlista los nombres de los programas existentes

EDIT Ingresa una línea de comando o crea un nuevo programa

EXECUTE Ejecuta un programa en lenguaje de maquina del 80286

NEXT Salto simple a través del programa

PROCEED Resume la ejecución de un programa

RUN Ejecuta un programa desde la memoria

TRACE Despliega las líneas de programa cuando una instrucción es ejecutada

Comandos para la

asignación de localización del

robot

Descripción

ACTUAL Define una localización en la posición actual del robot incluyendo el error posicional

DLOCN Borra una localización almacenada

HERE Define una localización en la posición actual del robot

LISTL Enlista una o todas las direcciones almacenadas en memoria

LLOC Igual que LISTL

OFFSET Redefine la coordenada base

POINT Define una localización

SET Igual una nueva localización con una localización existente

SHIFT Cambia una localización por un incremento equivalente en X, Y, Z

SHIFTA Cambia una localización por un incremento equivalente en una o toda las coordenadas

ANEXO 2

Hoja Técnica - Robot CRS A255

ANEXO 3

Materiales para la fabricación de la estructura mecánica del

Prototipo Uno y del Prototipo Final

Duralón: Es un polímero de ingeniería de la familia del Nylon, principalmente de los compuestos usados en el Nylon 6, Nylon 6,6 y Nylon 12. Ofrece gran flexibilidad, resistencia al impacto y nivel de dureza comparable con el cobre o bronce. Es utilizado principalmente en aplicaciones de moldeado por inyección para fabricar partes de automóviles debido a que es un excelente aislante eléctrico. Nylon: Es un polímero artificial de ingeniería perteneciente al grupo de las poliamidas. Comparable a una fibra textil elástica y resistente, no la ataca la polilla, no precisa planchado y se utiliza en la confección de medias, tejidos y telas de punto, también cerdas y sedales. El nylon moldeado se utiliza como material duro en la fabricación de diversos utensilios, como mangos de cepillos, peines, etc. Plástico ABS: El Acrilonitrilo Butadieno Estireno o ABS es un plástico muy resistente al impacto (golpes) muy utilizado en automoción y otros usos tanto industriales como domésticos. Se le llama plástico de ingeniería, debido a que es un plástico cuya elaboración y procesamiento es más complejo que los plásticos comunes, como son las polioleofinas (polietileno, polipropileno) El rasgo más importante del ABS es su gran tenacidad, incluso a baja temperatura (sigue siendo tenaz a -40 °C). Además es duro y rígido, tiene una resistencia química aceptable y baja absorción de agua, por lo tanto buena estabilidad dimensional y alta resistencia a la abrasión. Es común recubrirlo con una capa metálica mediante electrólisis dándole distintos baños de metal. Plástico PVC: El Policloruro de vinilo es un polímero común, termoplástico y reciclable por varios métodos, se presenta como un material blanco que comienza a reblandecer alrededor de los 80 °C y se descompone sobre 140 °C. El plástico PVC es un polímero por adición y además una resina resultante de la polimerización del cloruro de vinilo o cloroetileno. Tiene una muy buena resistencia eléctrica y a la llama. En la industria existen dos tipos:

Rígido: para envases, ventanas, tuberías, las cuales han reemplazado en gran medida al hierro (que se oxida más fácilmente).

Flexible: cables, juguetes, calzados, pavimentos, recubrimientos, techos tensados...

http://es.wikipedia.org/wiki/Polilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1stico

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Polioleofinas&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Polietileno

http://es.wikipedia.org/wiki/Polipropileno

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura_de_degradaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Resina

http://es.wikipedia.org/wiki/Polimerizaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Cloruro_de_vinilo

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuego

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

ANEXO 4 Hoja Técnica - Potenciómetro de Precisión Vishay 534

ANEXO 5

Hoja Técnica - NI USB 9229, NI USB 9239

ANEXO 6

Hoja Técnica - Amplificador Operacional LM741

ANEXO 7

Diagramas de bloques del software para la interfaz de

comunicación y control del teleoperador

7.1. Diagrama de Bloques - Programa Principal (PRINCIPAL.vi)

h) Configuración del puerto serial

i) Inicialización de la comunicación

j) Ciclo infinito de adquisición de datos y envío de la sentencia de

movimiento

k) Fin de uso del dispositivo háptico

l) Envío a la posición inicial

m) Envío de secuencia de finalización

n) Cerrar el puerto serial

7.2. Diagrama de bloques – Inicialización de la comunicación (INICIALIZACION.vi)

7.3. Diagrama de bloques - Adquisición del ángulo (Adquisición resist9229.vi)

7.4. Diagrama de bloques – Cinemática directa (Cinematica.vi)

7.5. Diagrama de bloques – Envío de coordenadas (ARREGLO_1.vi)

7.6. Diagrama de bloques – Mover (MOVE.vi)

7.7. Diagrama de Bloques - READY.vi

7.8. Diagrama de bloques – Secuencia de finalización

ANEXO 8

Lista de componentes del Dispositivo Háptico y costo de fabricación

8.1. Lista de componentes del Dispositivo Háptico

a) b)

c, d, o) e) f)

g) h) i)

j) k)

l, v) m, w)

n) p) q) r) s) t)

u) x)

Partes constitutivas: Base de la estructura Eslabón 1 de longitud L1 (Tapas superior e inferior) 9 rodamientos de 5mm de diámetro interno x 5mm de espesor 1 Eje 3 del engranaje N4 1 Eje 2 del engranaje N2 y N3 1 Eje 1 del engranaje N1 1 Engranaje N4 60 dientes modulo 1 1 Engranaje compuesto: N2 70 dientes modulo 1 y N3 26 dientes modulo 1 1 Engranaje N1 16 dientes modulo 1 1 Pieza sujetadora del potenciómetro eslabón 1 2 Potenciómetros correspondientes al eslabón 1 y 2 2 extensiones para ejes de potenciómetros Eslabón 2 de longitud L2 (Tapas superior e inferior) 2 rodamientos de 8mm de diámetro interno x 5mm de espesor Eje 2 del engranaje N2 Eje 1 del engranaje N1 Engranaje N2, 78 dientes modulo 1 Engranaje N1, 12 dientes modulo 1 1 Pieza sujetadora del potenciómetro eslabón 2 Elemento terminal de manejo del prototipo háptico

8.2. Costo de fabricación

Cantidad Elemento Valor

Unitario Costo total

1 Base de la estructura 3,0 3,0

1 Eslabón 1 de longitud L1 (Tapas superior e inferior) 3,0 3,0

9 Rodamientos de 5mm de diámetro interno x 5mm de espesor 4,0 36,0

1 Eje 3 del engranaje N4 10,0 10,0

1 Eje 2 del engranaje N2 y N3 10,0 10,0


1 Engranaje N4 60 dientes modulo 1 2,0 2,0

1 Engranaje compuesto: N2 70 dientes modulo 1 y N3 26 dientes modulo 1 4,0 4,0

1 Engranaje N1 16 dientes modulo 1 1,0 1,0

1 Pieza sujetadora del potenciómetro eslabón 1 5,0 5,0

2 Potenciómetros correspondientes al eslabón 1 y 2 35,0 70,0

2 Extensiones para ejes de potenciómetros 2,5 5,0

1 Eslabón 2 de longitud L2 (Tapas superior e inferior) 3,0 3,0

2 Rodamientos de 8mm de diámetro interno x 5mm de espesor 3,0 6,0



1 Engranaje N2, 78 dientes modulo 1 2,0 2,0

1 Engranaje N1, 12 dientes modulo 1 1,0 1,0

1 Pieza sujetadora del potenciómetro eslabón 2 5,0 5,0

1 Elemento terminal de manejo del prototipo háptico 10,0 10,0

20 Tornillos milimetrados 3x10mm 0,0 0,4

40 Tornillos milimetrados 3x15mm 0,0 0,8

2 Tornillos prisioneros 4x10mm 0,2 0,3

2 Tornillos prisioneros 3x10mm 0,2 0,3

TOTAL 207,2

ANEXO 9

Resultados del desempeño – Sistema de Teleoperación

9.1. Tolerancia

Línea (O,R) Línea (O,R1)

X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm)

52,4 0,5 52,4 0,5

52,4 -0,3 52,4 -0,3

52,4 -0,5 52,4 -0,5

52,4 -0,8 52,4 -0,8

52,4 -1,0 52,4 -1,0

52,4 -1,3 52,4 -1,3

52,4 -1,7 52,4 -1,7

52,4 -2,2 52,4 -2,2

52,4 -2,5 52,4 -2,5

52,4 -2,8 52,4 -2,8

52,3 -3,0 52,3 -3,0

52,4 -3,2 52,4 -3,2

52,3 -3,4 52,3 -3,4

52,4 -3,7 52,2 -3,7

52,4 -4,0 52,2 -3,9

52,3 -4,4 52,2 -4,2

52,4 -4,6 52,2 -4,4

52,5 -4,8 52,2 -4,6

52,2 -5,1 52,1 -4,8

52,4 -5,3 52,1 -5,1

52,4 -5,5 52,0 -5,8

52,4 -5,7 52,0 -6,2

52,4 -5,7 52,0 -6,5

52,4 -5,8 52,1 -6,6

52,4 -5,6 52,0 -7,0

52,4 -6,2 52,1 -7,2

52,4 -6,4 52,1 -7,4

52,4 -6,5 52,1 -7,6

52,1 -7,8

52,1 -8,0

52,0 -8,2

52,0 -8,5

52,0 -8,7

52,0 -8,9

52,1 -9,1

9.2. Trazo de puntos

MANIPULADOR

INDUSTRIAL

DISPOSITIVO HÁPTICO

PUNTO X (cm) Y (cm) PUNTO X (cm) Y (cm)

A1 47,3 0,9 A 58,6 0,0

B1 38,3 -5,3 B 49,7 -6,7

C1 38,1 6,3 C 49,7 6,7

9.3. Repetibilidad


PUNTO X (cm) Y (cm)

A 39,3 0,0

B 39,0 10,0

C 34,2 0,0

D 33,0 9,8

E 44,1 -11,3

F 40,6 -2,2

G 41,5 -13,1

H 37,3 -4,0

I 35,9 -8,7

J 43,3 -8,7

DISPOSITIVO HÁPTICO MANIPULADOR

INDUSTRIAL X (cm) Y (cm) Repeticiones

A

A1 39,4 -4,1 3

A2 39,5 -1,7 21

A3 39,5 -1,1 24

A4 39,5 -1,2 14

A5 39,4 -2,2 3

A6 39,4 -2,5 3

A7 39,4 -1,0 7

A8 39,4 -1,4 24

B

B1 39,1 4,6 13

B2 39,1 4,1 17

B3 39,2 3,7 20

B4 39,0 4,7 3

B5 39,1 4,0 33

B6 39,2 3,8 10

B7 39,1 4,3 3

DISPOSITIVO HÁPTICO MANIPULADOR

INDUSTRIAL X (cm) Y (cm) Repeticiones

C C1 34,9 -1,6 47

C2 34,8 -1,8 26

C3 34,9 -1,4 26

D D1 34,0 7,1 5

D2 34,5 4,3 30

D3 34,5 4,5 35

D4 34,5 4,0 20

D5 34,4 4,7 10

E E1 43,8 -13,0 31

E2 43,9 -13,5 31

E3 43,8 -13,3 38

F F1 40,7 -4,9 42

F2 40,8 -5,1 50

F3 41,0 -5,5 8

G G1 41,8 -13,5 60

G2 41,9 -13,9 10

G3 41,8 -13,7 30

H H1 37,8 -4,8 10

H2 38,2 -5,5 60

H3 38,1 -5,3 30

I I1 36,8 -9,8 7

I2 37,1 -8,9 36

I3 37,2 -8,7 21

I4 36,9 -9,1 21

I5 37,2 -8,2 7

I6 36,9 -9,5 7

J J1 43,7 -8,6 8

J2 42,8 -12,9 69

J3 42,9 -12,5 15

J4 42,7 -13,1 8

9.4. Trazo de línea OR

LÍNEA (O,R)


MANIPULADOR INDUSTRIAL

X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm)

24,0 0,0 52,4 0,5

24,0 -0,1 52,4 -0,3

24,0 -0,2 52,4 -0,5

24,0 -0,3 52,4 -0,8

24,0 -0,4 52,4 -1,0

24,0 -0,5 52,4 -1,3

24,0 -0,6 52,4 -1,7

24,0 -0,7 52,4 -2,2

24,0 -0,8 52,4 -2,5

24,0 -0,9 52,4 -2,8

24,0 -1,0 52,3 -3,0

24,0 -1,1 52,4 -3,2

24,0 -1,2 52,3 -3,4

24,0 -1,3 52,4 -3,7

24,0 -1,4 52,4 -4,0

24,0 -1,5 52,3 -4,4

24,0 -1,6 52,4 -4,6

24,0 -1,7 52,5 -4,8

24,0 -1,8 52,2 -5,1

24,0 -1,9 52,4 -5,3

24,0 -2,0 52,4 -5,5

24,0 -2,1 52,4 -5,7

24,0 -2,2 52,4 -5,7

24,0 -2,3 52,4 -5,8

24,0 -2,4 52,4 -5,6

24,0 -2,5 52,4 -6,2

24,0 -2,6 52,4 -6,4

24,0 -2,7 52,4 -6,5

24,0 -2,8

24,0 -2,9

24,0 -3,0

24,0 -3,1

24,0 -3,2

24,0 -3,3

24,0 -3,4

9.5. Trazo de triángulo ABC

TRIÁNGULO ABC



X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm)

58,6 0,0 37,9 0,3 46,0 -1,8 39,5 -9,5

49,7 -6,7 38,4 1,3 45,9 -1,9 39,4 -9,7

49,7 6,7 38,6 1,4 45,8 -2,0 39,2 -9,9

58,6 0,0 39,0 2,0 45,7 -2,2 39,0 -10,1

39,2 2,3 45,6 -2,5 38,8 -10,2

39,4 2,6 45,4 -2,8 38,6 -10,4

39,6 2,8 45,3 -3,0 38,5 -10,5

39,7 3,1 45,2 -3,2 38,2 -10,7

39,9 3,2 45,1 -3,4 37,3 -10,6

40,0 3,4 44,9 -3,7 37,0 -10,8

40,2 3,8 44,8 -3,9 37,3 -9,8

40,4 4,2 44,7 -4,1 37,4 -9,1

40,5 4,3 44,5 -4,4 37,4 -8,3

40,7 4,5 44,4 -4,6 37,5 -7,4

40,8 4,7 44,3 -4,8 37,6 -6,5

41,3 3,9 44,1 -5,0 37,8 -5,5

41,9 3,7 44,0 -5,2 37,9 -4,4

42,4 3,4 43,8 -5,4 37,9 -3,1

43,5 3,3 43,7 -5,6 38,0 -2,2

44,1 2,4 43,6 -5,7 38,0 -1,2

44,3 3,1 43,5 -5,8 37,9 0,3

44,7 2,6 43,4 -5,9

44,9 3,0 43,0 -6,4

45,3 2,3 42,8 -6,7

45,7 1,9 42,6 -6,9

45,8 2,3 42,4 -7,2

46,5 1,1 42,2 -7,5

47,4 1,4 42,0 -7,7

47,0 0,5 41,8 -7,9

46,9 0,3 41,7 -8,1

46,7 0,0 41,5 -8,3

46,6 -0,3 41,3 -8,4

46,5 -0,6 41,1 -8,7

46,4 -0,8 40,4 -8,7

46,3 -1,0 40,3 -8,9

46,2 -1,2 40,0 -9,2

46,1 -1,5 39,7 -9,4

9.6. Trazo de arco PQ

ARCO PQ



X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm)

24,0 3,5 52,4 7,7 57,3 2,6

24,1 3,5 52,8 7,3 57,4 2,6

24,2 3,5 52,8 7,2 57,2 2,4

24,3 3,4 52,9 6,7 57,5 2,2

24,4 3,4 53,0 6,2 57,6 1,9

24,5 3,4 53,1 5,6 57,8 1,8

24,7 3,4 53,3 5,1 58,0 1,8

24,9 3,3 53,6 4,9 58,1 1,8

25,1 3,3 53,7 4,8 58,2 1,6

25,3 3,1 54,0 4,7 58,5 1,6

25,5 3,0 54,1 4,8 58,7 1,5

25,7 3,0 54,2 4,6 58,9 1,2

25,9 2,9 54,3 4,8 59,0 1,2

26,0 2,8 54,6 4,3 59,2 1,1

26,1 2,7 54,8 4,4 59,2 0,8

26,3 2,6 55,0 4,4 59,3 0,7

26,5 2,4 55,2 4,5 59,5 0,6

26,6 2,3 55,3 4,2 59,7 0,4

26,7 2,2 55,4 4,0 59,8 0,0

26,8 2,0 55,6 4,0 59,9 -0,1

26,9 1,9 55,8 4,0 60,0 -0,2

27,0 1,7 55,9 3,8 60,2 -0,6

27,1 1,5 56,1 3,8 60,3 -0,8

27,2 1,3 56,2 3,7 60,3 -1,0

27,3 1,1 56,3 3,6 60,4 -1,3

27,3 0,9 56,5 3,6 60,4 -1,6

27,4 0,8 56,5 3,3 60,4 -1,9

27,4 0,6 56,7 3,2 60,5 -2,0

27,4 0,4 56,8 3,0 60,5 -2,3

27,4 0,2 56,9 2,9 60,5 -2,6

27,4 0,0 57,0 2,7

9.7. Trazo de arco UT

ARCO UT



X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm)

25,6 2,0 56,3 5,8 50,5 -3,9

25,5 1,8 56,2 5,6 50,4 -4,1

25,4 1,6 56,1 5,4 50,3 -4,3

25,4 1,4 56,0 5,0 50,1 -4,5

25,3 1,2 55,9 4,7 50,0 -4,7

25,2 1,0 55,8 4,6 49,9 -4,8

25,1 0,8 55,7 4,3 49,7 -5,0

25,0 0,6 55,5 3,9 49,4 -5,3

24,9 0,4 55,4 3,6 49,2 -5,6

24,8 0,2 55,3 3,3 49,0 -5,9

24,7 0,0 55,1 2,8 48,9 -6,1

24,6 -0,2 55,0 2,6 48,6 -6,3

24,5 -0,4 54,9 2,4 48,4 -6,6

24,4 -0,5 54,7 2,2 48,2 -6,8

24,3 -0,6 54,5 1,6 48,0 -6,9

24,2 -0,7 54,4 1,4 47,8 -7,0

24,1 -0,9 54,3 1,2 47,6 -7,2

24,0 -1,0 54,2 1,1 47,5 -7,3

23,9 -1,1 54,1 0,8 47,2 -7,6

23,8 -1,2 54,0 0,7 47,1 -7,6

23,7 -1,4 53,9 0,5 46,9 -7,8

23,6 -1,5 53,7 0,3 46,8 -7,9

23,5 -1,6 53,7 0,1 46,5 -8,0

23,4 -1,7 53,5 -0,2 46,4 -8,2

23,3 -1,9 53,3 -0,4 46,2 -8,3

23,2 -2,0 53,2 -0,6

23,0 -2,1 53,1 -0,8

22,9 -2,3 52,9 -1,0

22,8 -2,4 52,8 -1,2

22,7 -2,5 52,6 -1,4

22,6 -2,6 52,5 -1,5

22,5 -2,7 52,4 -1,7

22,3 -2,8 52,1 -2,1

22,2 -2,9 51,9 -2,5

22,1 -3,0 51,5 -2,8

21,9 -3,2 51,3 -3,1

21,7 -3,3 51,1 -3,3

21,6 -3,4 51,0 -3,5

9.8. Trazo de circunferencia


X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm)

53,2 7,7 55,7 -7,2 47,6 5,3 45,8 -2,4

53,5 7,7 56,1 -6,9 47,4 5,1 45,8 -2,0

53,7 7,7 56,6 -6,7 47,2 4,9 45,6 -1,8

53,9 7,6 57,0 -6,7 47,0 4,4 45,6 -1,3

54,1 7,5 57,4 -6,4 46,7 4,2 45,6 -0,9

54,3 7,5 57,7 -6,2 46,5 3,8 45,6 -0,4

54,8 7,4 57,9 -6,0 46,3 3,3 45,6 0,0

55,2 7,3 58,3 -5,8 46,1 2,9

55,7 7,2 58,8 -5,3 45,8 2,4

56,1 6,9 59,0 -5,1 45,8 2,0

56,6 6,7 59,2 -4,9 45,6 1,8

57,0 6,7 59,4 -4,4 45,6 1,3

57,4 6,4 59,7 -4,2 45,6 0,9

57,7 6,2 59,9 -3,8 45,6 0,4

57,9 6,0 60,1 -3,3 45,6 0,0

58,3 5,8 60,3 -2,9 53,2 -7,7

58,8 5,3 60,6 -2,4 52,9 -7,7

59,0 5,1 60,6 -2,0 52,7 -7,7

59,2 4,9 60,8 -1,8 52,5 -7,6

59,4 4,4 60,8 -1,3 52,3 -7,5

59,7 4,2 60,8 -0,9 52,1 -7,5

59,9 3,8 60,8 -0,4 51,6 -7,4

60,1 3,3 60,8 0,0 51,2 -7,3

60,3 2,9 53,2 7,7 50,7 -7,2

60,6 2,4 52,9 7,7 50,3 -6,9

60,6 2,0 52,7 7,7 49,8 -6,7

60,8 1,8 52,5 7,6 49,4 -6,7

60,8 1,3 52,3 7,5 49,0 -6,4

60,8 0,9 52,1 7,5 48,7 -6,2

60,8 0,4 51,6 7,4 48,5 -6,0

60,8 0,0 51,2 7,3 48,1 -5,8

53,2 -7,7 50,7 7,2 47,6 -5,3

53,5 -7,7 50,3 6,9 47,4 -5,1

53,7 -7,7 49,8 6,7 47,2 -4,9

53,9 -7,6 49,4 6,7 47,0 -4,4

54,1 -7,5 49,0 6,4 46,7 -4,2

54,3 -7,5 48,7 6,2 46,5 -3,8

54,8 -7,4 48,5 6,0 46,3 -3,3

55,2 -7,3 48,1 5,8 46,1 -2,9


X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) X (cm) Y (cm)

34,7 0,1 45,0 6,4 49,3 -3,1 42,2 -7,7 33,5 -3,9

34,9 0,3 45,1 6,2 49,2 -3,3 41,9 -7,8 33,6 -3,5

35,1 0,6 45,4 6,0 49,1 -3,6 41,5 -7,7 33,7 -2,8

35,4 0,9 45,5 5,8 49,1 -3,2 41,2 -7,8 33,7 -2,3

35,5 1,0 45,6 5,1 48,9 -3,6 40,9 -7,8 33,6 -1,8

35,8 1,3 45,8 4,5 48,8 -3,1 40,7 -7,8 33,5 -1,6

36,0 1,6 46,0 4,6 48,7 -3,4 40,5 -8,0 33,6 -1,2

36,3 2,0 46,1 4,6 48,4 -3,9 40,2 -7,9 33,6 -1,1

36,6 2,3 46,3 4,6 48,3 -4,2 40,1 -8,0 33,7 -1,1

36,9 2,6 46,5 4,3 48,2 -4,4 39,9 -8,0 33,8 -0,7

37,2 3,0 46,6 4,7 48,1 -4,6 39,5 -7,7 34,0 -0,6

37,5 3,5 46,8 3,9 48,0 -4,9 39,4 -7,3 34,1 -0,4

37,7 3,8 47,0 3,8 47,9 -5,3 39,2 -7,4 34,2 -0,2

37,9 4,1 47,1 3,7 47,7 -5,2 39,0 -7,6

38,2 4,5 47,0 3,6 47,5 -5,5 38,7 -7,4

38,5 5,0 47,3 3,3 47,3 -5,4 38,3 -7,4

39,0 5,8 47,5 3,2 47,1 -5,7 37,8 -7,3

39,3 6,4 47,7 2,8 46,9 -5,6 37,2 -7,8

39,5 6,6 47,9 2,8 46,7 -5,7 37,0 -8,0

39,7 7,1 48,0 2,6 46,6 -5,8 36,9 -8,1

39,9 7,3 48,1 2,6 46,5 -5,8 36,6 -8,3

40,0 7,5 48,3 2,4 46,3 -5,7 36,4 -8,4

40,7 6,5 48,4 2,1 46,1 -5,9 36,3 -8,6

41,1 6,8 48,5 1,7 45,8 -6,3 36,1 -8,5

41,3 7,1 48,7 1,3 45,7 -6,4 35,9 -8,6

41,4 7,5 49,0 1,4 45,5 -6,4 35,7 -8,8

41,5 7,5 49,0 1,0 45,3 -6,4 35,2 -9,1

41,8 7,1 49,1 0,8 45,0 -6,6 35,2 -8,5

41,9 7,7 49,3 0,3 44,8 -6,8 35,0 -8,2

43,0 7,1 49,4 0,2 44,5 -6,9 34,6 -7,4

43,1 7,3 49,5 0,0 44,3 -7,1 34,5 -7,0

43,4 7,0 49,6 -0,1 44,1 -7,3 34,4 -6,4

43,5 7,3 49,7 -1,1 43,9 -7,6 34,2 -6,3

43,7 7,7 49,8 -1,4 43,6 -7,8 34,2 -5,8

43,8 7,7 49,7 -1,6 43,5 -7,5 33,9 -5,6

43,8 7,9 49,8 -2,0 43,1 -7,6 33,8 -5,4

43,9 8,1 49,8 -2,5 43,0 -7,5 33,8 -4,9

44,6 7,3 49,8 -3,0 42,9 -7,5 33,7 -4,8

44,7 6,5 49,4 -3,0 42,5 -7,7 33,7 -4,6

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO II

Figura. 2.1. Sistemas constitutivos de un dispositivo háptico .......................... 8

Figura. 2.2. Elementos de un sistema de teleoperación maestro - esclavo ... 12

Figura. 2.3. Sistema robótico CRS A255 ....................................................... 13

Figura. 2.4. Articulaciones del manipulador CRS - A255 ............................... 14

Figura. 2.5. Espacio de trabajo radial ............................................................ 15

Figura. 2.6. Espacio de trabajo vertical .......................................................... 15

Figura. 2.7. Tráfico de datos del controlador robótico C500 .......................... 16

Figura. 2.8. Elementos del sistema de teleoperación a implementarse ......... 20

CAPÍTULO III

Figura. 3.1. a) Espacio de trabajo vertical descrito por el fabricante. b) Diagrama del área vertical máxima ................................................................... 22

Figura. 3.2. Perímetro y área de la superficie vertical máxima de trabajo ..... 23

Figura. 3.3. a) Espacio de trabajo horizontal descrito por el fabricante. b) Diagrama del área horizontal máxima ............................................................... 23

Figura. 3.4. Perímetro y área de la superficie horizontal máxima de trabajo . 24

Figura. 3.5. Robot SCARA [6] ........................................................................ 25

Figura. 3.6. a) Vista aérea de la configuración de las articulaciones del prototipo háptico. b) Esquema en el plano cartesiano XY. ......................... 26

Figura. 3.7. Diseño del Prototipo Uno en SolidWorks .................................... 27

Figura. 3.8. Modelo terminado – Prototipo Uno ............................................. 28

Figura. 3.9. Alcance radial del Prototipo Uno ................................................. 28

Figura. 3.10. Parámetros característicos de un tren de engranes ................... 30

Figura. 3.11. Tren de engranes de la articulación uno ..................................... 31

Figura. 3.12. Tren de engranes de la articulación dos ..................................... 32

Figura. 3.13. Fuerzas incidentes sobre el Prototipo Final ................................ 33

Figura. 3.14. Propiedades físicas del Prototipo Final ....................................... 34

Figura. 3.15. Diseño del Prototipo Final en SolidWorks ................................... 35

Figura. 3.16. Alcance radial del Prototipo Final ............................................... 36

Figura. 3.17. a) Diagrama del área de trabajo del Prototipo Final. b) Perímetro y área de la superficie de trabajo del Prototipo Final .................... 36

Figura. 3.18. Convertidor de voltaje diferencial a corriente [8] ......................... 37

Figura. 3.19. Divisor de Tensión ...................................................................... 38

Figura. 3.20. Respuesta del Potenciómetro Lineal – Prototipo Uno ................ 39

Figura. 3.21. Respuesta del Potenciómetro Lineal – Prototipo Final ............... 41

Figura. 3.22. Línea de tendencia polinomial de segundo grado de la curva de respuesta del sensor Vishay 534 ....................................................................... 41

CAPÍTULO IV

Figura. 4.1. Interfaces de comunicación para el sistema de teleoperación ... 42

Figura. 4.2. Adquisición de voltaje en el Prototipo Final ................................ 43

Figura. 4.3. Asistente de adquisición ............................................................. 43

Figura. 4.4. Asignación del tipo de señal ....................................................... 44

Figura. 4.5. Selección del Canal .................................................................... 44

Figura. 4.6. Parámetros de medición ............................................................. 45

Figura. 4.7. Diagrama de conexión ................................................................ 45

Figura. 4.8. Selector de señal ........................................................................ 46

Figura. 4.9. Configuración del selector de señal ............................................ 46

Figura. 4.10. Conexión del Asistente de adquisición y selector de señal ........ 46

Figura. 4.11. Configuración del puerto serial en Labview ................................ 48

Figura. 4.12. Diagrama de flujo - programa principal (PRINCIPAL.vi) ............. 49

Figura. 4.13. Resultado del lector del puerto serial .......................................... 50

Figura. 4.14. Diagrama de flujo – Inicialización de la comunicación (INICIALIZACION.vi) .......................................................................................... 51

Figura. 4.15. Diagrama de flujo – Adquisición del ángulo (Adquisición resist9229.vi) …………………………………………………………………………52

Figura. 4.16. Gráfico para obtener los parámetros de Denavit - Hartenberg ... 53

Figura. 4.17. Matriz de transformación de cinemática directa .......................... 53

Figura. 4.18. Diagrama de flujo – Cinemática directa (Cinematica.vi) ............. 54

Figura. 4.19. Diagrama de flujo – Envío de coordenadas (ARREGLO_1.vi).... 57

Figura. 4.20. Diagrama de flujo – Mover (MOVE.vi) ........................................ 57

Figura. 4.21. Diagrama de Flujo - READY.vi ................................................... 58

CAPÍTULO V

Figura. 5.1. Partes fundamentales del Prototipo Final ................................... 61

Figura. 5.2. Base de sujeción: diseño e implementación ............................... 62

Figura. 5.3. Primer eslabón: diseño e implementación .................................. 62

Figura. 5.4. Primer eslabón – Descripción de componentes.......................... 63

Figura. 5.5. Segundo eslabón: diseño e implementación .............................. 63

Figura. 5.6. Segundo eslabón – Descripción de componentes ...................... 64

Figura. 5.7. Prototipo Final: Diseño e implementación .................................. 64

Figura. 5.8. Integración del Sistema de Teleoperación .................................. 65

Figura. 5.9. Funcionamiento del Sistema de Teleoperación .......................... 66

Figura. 5.10. Posición inicial (HOME) – Manipulador industrial CRS A255 ..... 67

Figura. 5.11. a) Diagrama de conexión entre el dispositivo háptico y la tarjeta de adquisición. b) Fuente de voltaje para la adquisición de datos ..................... 68

Figura. 5.12. Alineación entre el manipulador industrial CRS A255 y el dispositivo háptico ............................................................................................. 68

Figura. 5.13. Interfaz de usuario del Sistema de Teleoperación ...................... 69

Figura. 5.14. Inicializar la comunicación .......................................................... 70

Figura. 5.15. Sistema listo ............................................................................... 71

Figura. 5.16. Validación de movimiento ........................................................... 72

Figura. 5.17. Botón de parada (STOP) ............................................................ 72

Figura. 5.18. Tolerancia del sistema de teleoperación .................................... 73

Figura. 5.19. Diagrama para pruebas de trazo del sistema de teleoperación .. 74

Figura. 5.20. Trazo por puntos – Sistema de Teleoperación (Dispositivo Háptico) 74

Figura. 5.21. Puntos para el cálculo de la repetibilidad del sistema ................ 75

Figura. 5.22. Punto con mayor número de repeticiones (J) ............................. 76

Figura. 5.23. Trazo de línea – Sistema de Teleoperación ............................... 77

Figura. 5.24. Trazo de polígono – Sistema de Teleoperación ......................... 77

Figura. 5.25. Trazo de arco PQ – Sistema de Teleoperación .......................... 78

Figura. 5.26. Trazo de arco UT – Sistema de Teleoperación .......................... 79

Figura. 5.27. Trazo de circunferencia – Sistema de Teleoperación ................. 80

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO II

Tabla. 2.1 Características de la línea Phantom ............................................. 9

Tabla. 2.2 Características de la línea Premium ........................................... 10

Tabla. 3.1. Superficie del área de trabajo horizontal de acuerdo a la altura en z …………………………………………………………………………24

CAPÍTULO III

Tabla. 3.2. Ángulo de giro dependiendo de la longitud del eslabón ............. 26

Tabla. 3.3. Cálculo del torque mínimo para la articulación uno .................... 31

Tabla. 3.4. Cálculo del torque mínimo para la articulación dos .................... 32

Tabla. 3.5. Resumen de valores de torque e inercia .................................... 35

Tabla. 3.6. Resistencia Vs. Ángulo potenciómetro lineal – Prototipo Uno .... 39

Tabla. 3.7. Voltaje Vs. Ángulo potenciómetro lineal – Prototipo Final .......... 40

CAPÍTULO IV

Tabla. 4.1. Parámetros de configuración - puerto serial RS232 ................... 47

Tabla. 4.2. Parámetros de Denavit - Hartenberg .......................................... 53

CAPÍTULO V

Tabla. 5.1. Desviación y Error porcentual – Trazo por puntos ...................... 75

Tabla. 5.2. Desviación y Error porcentual – Trazo de línea .......................... 77

Tabla. 5.3. Desviación y Error porcentual – Trazo de polígono .................... 78

Tabla. 5.4. Desviación y error porcentual – Trazo de arco PQ ..................... 79

Tabla. 5.5. Desviación y error porcentual – Trazo de arco UT ..................... 79

Tabla. 5.6. Desviación y error porcentual – Trazo de circunferencia ............ 80

GLOSARIO

Grado de libertad: Se refiere a la capacidad de movimiento en un espacio tridimensional hacia: delante/atrás, arriba/abajo, izquierda/derecha, guiñada, cabeceo y alabeo. El movimiento a lo largo de cada uno de los ejes es independiente de los otros, y cada uno es independiente de la rotación sobre cualquiera de los ejes. Háptico: No aparece en el diccionario de la Real Academia Española y proviene del griego háptō que significa relativo al tacto. Repetibilidad: Capacidad de reproducción de las mediciones realizadas con un dispositivo al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación. Se considera en general su valor máximo y se expresa en porcentaje del alcance (span). Resolución: Cantidad más pequeña de incremento posible de determinar, siendo por tanto la cantidad de medida más pequeña a detectar. Retroalimentación de fuerza: Área de la háptica, trata con dispositivos que interactúan con músculos y tendones, dando al humano una sensación de aplicación de fuerza. Retroalimentación propioreceptiva: Permite obtener información acerca de la posición del cuerpo del operador, analizando información sobre el funcionamiento armónico de músculos, tendones y articulaciones. Retroalimentación táctil: Trata con dispositivos que interactúan con los nervios terminales en la piel los cuales indican la presencia de calor, presión y textura. Sensibilidad: Es la razón de cambio de la salida frente a cambios en la entrada. También es definida como la salida obtenida por unidad de entrada. Teleoperación: Conjunto de tecnologías que comprenden la operación o gobierno a distancia de un dispositivo por un ser humano.

http://es.wikipedia.org/wiki/Tridimensional

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81ngulos_de_navegaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81ngulos_de_navegaci%C3%B3n

HOJA DE RECEPCIÓN

El presente proyecto fue entregado al Departamento de Eléctrica y

Electrónica y reposa en la Escuela Politécnica del Ejército desde Sangolquí, 24 de

Marzo del 2011

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Ing. Víctor Proaño

DIRECTOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA

AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

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Fausto R. Gómez P. Karina A. Hernández F.

escuela politÉcnica del ejÉrcito departamento...

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